在胚胎发育过程中，单细胞受精卵如何发育成许多不同细胞类型的多细胞有机体。这是生物学最基本的问题之一。然而，在单细胞、全基因组和全胚胎水平上研究这种细胞多样性的发展机制仍具有挑战性。

近日，来自欧洲分子生物学实验室和帕多瓦大学医学院的研究人员通过构建海鞘（Phallusia mammillata）的“数字化虚拟胚胎”，结合单细胞转录组学和光片成像技术，首次完整绘制了胚胎发育中单细胞基因表达4D图谱。研究结果发表在4月20日的《Cell》杂志上。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.03.055

海鞘是一种海洋生物，之所以选择它，是因为它结合了脊椎动物的基因组复杂性和胚胎细胞多样性，而且每个个体都有相同数量的细胞，这使得从许多标本中收集观察结果变得更容易。

这个“虚拟胚胎”描述了胚胎在发育早期的每个细胞分裂阶段的每一个细胞的基因表达和形态，展示了从一个单细胞到64个细胞的进化过程。在最初的七次细胞分裂之后，未来的神经、大脑、生殖细胞、血细胞前体和肌肉的命运已经被确定了。这使它成为第一个完整地描述胚胎每一个细胞早期发育蓝图。它描述了基因表达(细胞的遗传信息是如何表达和显示的)和空间位置。为了生成这个完整的图谱，研究人员将高分辨率的单细胞转录组学和光片成像技术结合起来。

欧洲分子生物学实验室的Pierre Neveu说:“我们的模型显示，通过分析单个细胞的基因表达，就有可能知道它的空间位置和谱系历史。此外，虽然胚胎中基因表达的调控在非常精确，但发育时间的差异可以解释单个胚胎之间观察到的差异。”

基因表达通常被认为是一个随机性的过程，然而新的研究结果表明，它在一个特定胚胎的细胞间具有显著的可复制性和协调性。如何实现这种协调，需要进一步研究。

帕多瓦大学医学院的Hanna Sladitschek博士说:“我们的研究代表了发育生物学这一新兴领域的一次飞跃。既然我们研究的是一种只有少量细胞的有机体，那么把我们的研究扩展到哺乳动物身上当然会很有趣，因为哺乳动物有更多的细胞！”

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