迄今最完整胚胎发育单细胞图谱出炉

科技日报实习记者 张佳欣

科学家以果蝇为模型生物，构建了迄今为止最完整、最详细的动物胚胎发育单细胞图谱。这一发表在最新一期《科学》杂志上的成果，利用了来自100多万个各个发育阶段的胚胎细胞数据，代表了多个层面的重大进步，有助于科学家探索突变如何导致不同的发育缺陷，以及了解人类基因组中与大多数疾病相关突变的庞大非编码部分。

借助机器学习，科学家绘制出果蝇胚胎发育连续图谱。
图片来源：欧洲分子生物学实验室

“拍摄胚胎生长的全部过程，即所有阶段和所有细胞类型，就能更全面地了解伴随发育而来的细胞状态和分子变化。”领导该研究的欧洲分子生物学实验室（EMBL）科学家艾琳·弗隆说，他们能利用深度学习来获得驱动胚胎发育的分子变化的连续视图——精确到分钟。

胚胎发育始于卵子受精，随后是一系列细胞分裂和分化，形成一个非常复杂的多细胞胚胎，可移动、进食、感知并与环境相互作用。研究人员对这一胚胎发育过程的研究已有一百多年的历史。然而，由于采样、成本和技术方面的许多挑战，在单细胞分辨率下描述整个胚胎发育几乎是不可能的。

在这方面，果蝇是发育生物学、基因调控和染色质生物学中的一种模式生物，其胚胎发育非常迅速，受精后仅20小时内，所有组织都已经形成，包括大脑、肠道和心脏。

本研究描述了近100万个细胞的开放染色质和50万个细胞的RNA，这些细胞来自重叠的时间点，跨越了果蝇胚胎发育的整个过程。通过机器学习神经网络，研究人员利用重叠的时间点以更精细的分辨率预测每个细胞的精确发育时间。

研究人员表示，尽管收集的样本包含的胚胎在2或4小时的时间窗口内年龄略有不同，但他们的方法能以几分钟为单位放大胚胎发育时间轴的任何部分。

这项研究可作为其他模型系统的框架。例如，哺乳动物胚胎发育、体外细胞分化，甚至疾病细胞的药物治疗等，可设计采样时间的间隙，以便以更高的分辨率进行最佳时间预测。