哺乳动物胚胎发生过程的分子记录-单细胞转录组测序应用

哺乳动物胚胎发生过程的分子记录

原创： 天涯清水 原文：单细胞天地
编辑：薛定谔的猫
责任人：Jimmy

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文章信息2019年3月13，nature杂志发表了一篇文章，利用单细胞转录组研究，揭示哺乳动物胚胎形成过程中基因表达情况。DOI:10.1038/s41586-019-1184-5. 文章标题：Molecular recording of mammalian embryogenesis

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**摘要 **

个体发生展现的是从单个全能细胞产生一个完整的复杂多细胞生物过程。由于自我更新与分化、祖先体型变化与这些动物体内妊娠的不确定性，使（胚胎发生）这一领域的研究在哺乳动物研究中极具挑战。本研究中，我们基于单细胞测序技术建立一个具有弹性的、信息含量高的多通道分子记录方法，并将单细胞技术作为一个不断变化的谱系示踪剂来整合从小鼠受精卵到原肠胚形成过程中的细胞命运决定图谱。通过将谱系信息与单细胞转录组测序相结合，总结了不同组织类型之间的典型发育关系，揭示了胚胎内外胚层起源的细胞几乎完全的转录收敛。最后，我们应用细胞命运图谱来评估胚胎祖细胞的数量与它们在发育过程的不对称分配程度。我们（建立）的方法能够大规模并行、高分辨率地记录哺乳动物系统（发生）过程中的信息，这将有助于为理解发育过程构建一个定量的框架。

背景

用于探索复杂多细胞生物发育问题的理想分子记录器应该具有以下特征：（1）对细胞表型的影响最小; （2）信息含量高-应包含成千上万个细胞的信息; （3）能够同时分析单细胞分辨率下的细胞的功能和状态。（4）灵活的记录速度，可以调整到较大的时间范围;（5）以及在整个实验中连续产生多样性。最后一点与哺乳动物的发育特别相关，在这一点上，空间规划是逐渐和连续被特化，并且可能源自小的，瞬时的祖先状态。单细胞转录组揭示了具有连续表型谱的细胞群，这意味着细胞分化不会是瞬间发生，进一步阐明了开发新的分子记录的重要性。（单细胞转录组正好满足上述条件，所以作者以单细胞转录组作为新的哺乳动物胚胎发育的分子记录仪）

测序数据介绍

使用Perturb-seq（基因扰动-表型）技术，对7个胚胎（约占细胞总量的 15.8%-61.4%）的7364–22,264细胞进行单细胞转录组测序；

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获得167 - 2461个具有唯一标记的谱系

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数据分析情况

• 文库构建

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• 比对: aligned using10x CellRanger v2。

• 过滤：过滤基因-条形码的矩阵用于下游分析。

• 聚类分析：利用Seurat包对表达矩阵进行归一化分析、 使用主成分分析进行降维分析、tNSE亚群聚类进行分析。

主要分群情况

首先，用cas9构建带有GFP荧光标记等特殊的细胞系来记录和追踪胚胎从受精卵到原肠胚形成过程细胞的状态变化。

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分群情况

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重新构建了小鼠胚胎发育的细胞谱系

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意义

在本研究中，基于高信息和连续记录技术，我们提出了哺乳动物原肠胚形成的细胞命运图谱。该技术记录的细胞历史信息如何补充RNA-seq谱以表征细胞类型，以及定量理解哺乳动物发育过程中随机转变的早期框架。我们的细胞命运图确定了独立细胞谱系的表型趋同，展示了无偏生物体全谱系追踪对单独群体的能力，这些群体仅由scrna-seq数据显示相似。具体来说，我们证实了类似于胚胎内胚层的细胞亚群的胚胎外起源。尽管已知这些谱系的初始规范依赖于冗余的调控程序，但这些谱系几天过后，在时间上便可区分，从转录和表观不同的祖细胞中产生，并形成具有高度分化功能的终末细胞类型。哺乳动物个体发育过程中的转分化范围仍然很大程度上未被探索，但实际上可以利用我们的系统来进行研究。我们的技术旨在定量地解决生物体发育过程中以前不了解的问题，有机体调节的高阶问题，例如发育的起始位置、时间和限制性等发育过程中的瓶颈问题，以及不同状态的细胞转变为不同表型的相应可能性 ，可以通过历史关系的集合来建模。我们希望通过这些属性的表征将大规模发育现象与细胞命运决定的分子调节联系起来。

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