在一项新的研究中，来自美国华盛顿大学的研究人员开发出一种技术，可以定量确定斑马鱼胚胎中发生的基因活性变化，这些变化是对关键基因的特定编辑做出的反应。这种方法可以定量确定数千个胚胎中数百万个细胞在发育过程中的基因活性和遗传变异的影响。相关研究结果于2023年11月15日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Embryo-scale reverse genetics at single-cell resolution”。

这些作者说，这一进展将加快对正常胚胎发育的研究，并促进对特定基因突变如何影响整个胚胎中的细胞并导致疾病的理解。

论文共同第一作者Lauren Saunders说，“如今我们可以利用斑马鱼来确定特定基因的缺失如何影响生物体内的所有细胞。这项新研究提供了关于基因发挥什么作用和在哪里发挥作用的重要线索，也许有一天会显示不同的疗法如何可能预防或治疗相关的遗传疾病。”

以前的研究曾绘制过斑马鱼胚胎细胞基因表达差异图谱，但是这些图谱没有揭示单个胚胎之间的基因表达差异。这些早期的图谱还缺乏中后期胚胎发生时期的紧密时间点。此外，过去的研究结果仅代表了野生型生物或一些基因扰动在单个时间点的的基因表达谱。

在这项新的研究中，这些作者标记了1800多个胚胎的转录组。然后，他们通过在胚胎发育过程中的 19 个时间点取样，追踪每种细胞类型随时间发生的变化。他们还引入了23种不同的基因扰动，从而可以看到每种突变如何随着时间的推移影响生物体内所有细胞类型的基因表达和细胞发育。

为了追踪哪些细胞来自哪些胚胎，这些作者使用了一种名为sci-Plex的技术，这种技术是由华盛顿大学医学院基因组科学副教授Cole Trapnell实验室和华盛顿大学医学院基因组科学教授Jay Shendure实验室开发的。

利用这种技术，这些作者首先用较短的DNA 分子标记每个胚胎的细胞核，每个胚胎都携带一种独特的序列。这些序列就像一个条形码，让他们能够识别哪个细胞来自哪个胚胎。通过这种方法，他们追踪了他们分析的300 多万个细胞。

为了确定每种细胞类型中哪些基因处于活跃状态，他们利用了这样一个事实：当一个基因处于活跃状态时，它的DNA 中编码的遗传指令必须首先被复制到一种叫做信使 RNA（mRNA）的相关分子中。然后，细胞以 mRNA 编码的指令为蓝本，合成该基因编码的蛋白。当一个基因活跃时，它的mRNA 水平会在细胞内上升；当它不活跃时，它的mRNA 水平较低或不存在。因此，mRNA 水平能告诉你一个基因何时“开启”或“关闭”。

利用寡核苷酸散列法收集个体分辨的单细胞斑马鱼图谱。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06720-2。

由于每种细胞类型都有不同的功能和不同的基因表达特征，因此仅通过测量 mRNA 就能确定哪些细胞代表不同的细胞类型。因此，这些作者不仅可以定量确定基因表达如何随基因扰动而变化，还可以定量确定胚胎中某些细胞群体是增加了还是减少了。

Saunders说，这些发现将扩展有关正常和异常胚胎发育的知识，并促进对动物和人类进化的了解。

这些作者发现，细胞的胚胎起源、最终结果及其基因表达谱之间存在一些令人惊讶的关系。通过研究对脊索（notochord）发育非常重要的基因，他们发现，具有类似脊索的基因表达谱的细胞反而是早期颅底软骨（skull base cartilage）。

Saunders说，“在斑马鱼和人类中，颅骨有两个胚胎起源。我们发现，成为颅骨底部的细胞类似于脊索的细胞，并不类似于包括面部在内的早期颅软骨的其他部分中的细胞。目前还不清楚前一个细胞群体是如何进化的，我们的数据如今使我们能够就颅软骨生成细胞在脊椎动物进化过程中是如何产生的提出新的假设。”

参考资料：

Lauren M. Saunders et al. Embryo-scale reverse genetics at single-cell resolution. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06720-2.

Study details gene activity in cells of developing embryo

https://newsroom.uw.edu/news/study-details-gene-activity-cells-developing-embryo