生命體的構(gòu)建始于胚胎發(fā)育，其調(diào)控高度動態(tài)復(fù)雜。發(fā)育圖式（developmental patterning）如何建立，即受精卵產(chǎn)生的各個細(xì)胞如何獲得特定命運，并建成形態(tài)功能完備的組織器官，是胚胎發(fā)育的核心問題。20世紀(jì)70年代至80年代，發(fā)育生物學(xué)家John Sulston繪制秀麗線蟲全部體細(xì)胞的發(fā)育起源和譜系關(guān)系，首次揭示了多細(xì)胞動物整個發(fā)育過程的細(xì)胞圖譜（cell atlas），在單細(xì)胞水平系統(tǒng)地刻畫了發(fā)育圖式建立過程，線蟲也成為高精度解析發(fā)育動態(tài)調(diào)控的先導(dǎo)模式動物。

相比清晰全面的細(xì)胞圖譜，其內(nèi)部的分子動態(tài)調(diào)控過程仍有待深入研究，切入點是闡明各個細(xì)胞在各個時刻的基因表達和調(diào)控。當(dāng)前，單個細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組測定已成為可能，而如何將轉(zhuǎn)錄組與細(xì)胞身份精確對應(yīng)，達成單細(xì)胞注釋精度仍然困難。如何進一步提高表達分析的時間精度和維度，實現(xiàn)原位、實時、連續(xù)地解析蛋白的動態(tài)變化也有待探索。7月26日，Nature Methods在線發(fā)表了中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所杜茁研究組在轉(zhuǎn)錄因子單細(xì)胞蛋白動態(tài)表達和命運圖式建立調(diào)控規(guī)律解析研究的新進展（A 4D single-cell protein atlas of transcription factors delineates spatiotemporal patterning during embryogenesis）。聚焦發(fā)育調(diào)控關(guān)鍵基因——轉(zhuǎn)錄因子，該研究構(gòu)建了數(shù)百個可指示蛋白動態(tài)表達的熒光報告品系，綜合活體成像、細(xì)胞鑒定、實時譜系追蹤、單細(xì)胞熒光定量分析，在原位、4D、單細(xì)胞水平解析了轉(zhuǎn)錄因子在各個細(xì)胞的蛋白動態(tài)表達。該研究采用非損傷方式，通過成像和細(xì)胞追蹤對細(xì)胞身份予以精確判定，并系統(tǒng)整合多個蛋白的單細(xì)胞表達水平，實現(xiàn)了真正意義上的單細(xì)胞注釋精度的蛋白動態(tài)表達解析。

利用該圖譜，該研究首先多維度解析了細(xì)胞命運圖式建立的分子調(diào)控框架。研究顯示，轉(zhuǎn)錄因子在四個層級（譜系來源、體軸定位、細(xì)胞類型、發(fā)育時間），通過時間和空間上的部分重疊和交錯組合，逐步賦予不同細(xì)胞各異的調(diào)控狀態(tài)。每個層次的區(qū)分均涉及多個表達部分相似的不同轉(zhuǎn)錄因子，賦予調(diào)控過程的高度穩(wěn)固型，計算模擬顯示去除數(shù)十個轉(zhuǎn)錄因子僅對圖式建立的精確度造成有限影響。該結(jié)果初步揭示了復(fù)雜的命運圖式逐級建立過程的調(diào)控邏輯。

為理解轉(zhuǎn)錄因子發(fā)育功能，科研人員整合了單細(xì)胞表達相似性和基于實驗數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)錄因子-靶基因信息，構(gòu)建了時空特異性調(diào)控回路，涵蓋161個發(fā)育時空模塊中8000多個轉(zhuǎn)錄因子間調(diào)控關(guān)系，并基于此揭示了經(jīng)典調(diào)控基因的新功能和新發(fā)育調(diào)控過程。例如，研究發(fā)現(xiàn)ELT-1/GATA3除了經(jīng)典的調(diào)控表皮細(xì)胞命運之外，同時控制同譜系神經(jīng)前體細(xì)胞的命運，提示ELT-1功能的實質(zhì)為在譜系層級同時調(diào)控表皮和神經(jīng)命運。在另一分析中，研究揭示了M03D4.4/VEZF1在肌肉亞型細(xì)胞的趨同分化中的關(guān)鍵功能，體壁和咽喉肌肉細(xì)胞不同的上游調(diào)控信號匯聚于M03D4.4，通過將之激活并與之協(xié)同發(fā)揮功能，調(diào)控肌肉功能基因從而介導(dǎo)了位于軀體不同部位，具有不同發(fā)育起源的同類型細(xì)胞的趨同分化過程。因此，高精度“表達啟示型”（expression-informed）研究范式可高效解析發(fā)育調(diào)控。

高時空精度的分子與細(xì)胞圖譜的整合，為模擬和解析細(xì)胞調(diào)控狀態(tài)與細(xì)胞命運的動態(tài)關(guān)系提供幫助。該研究系統(tǒng)探究了調(diào)控狀態(tài)的多樣性和復(fù)雜性。研究表明，狀態(tài)隨譜系展開首先高度差異化，盡管同類組織細(xì)胞在隨后發(fā)生趨同，仍呈現(xiàn)高度的依賴于譜系來源的狀態(tài)多樣性。因此，細(xì)胞的發(fā)育歷史對其最終功能的塑造起著重要影響，而譜系的組織方式?jīng)Q定了同類細(xì)胞狀態(tài)及功能的多樣性。研究進一步發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞調(diào)控狀態(tài)隨發(fā)育持續(xù)變化，直至終末分裂，其轉(zhuǎn)變軌跡高度非定向，提示W(wǎng)addington發(fā)育地貌蜿蜒曲折，細(xì)胞歷經(jīng)多個中間狀態(tài)，通過長時間的“繞路”到達終點。

綜上，該研究為解析胚胎發(fā)育的分子調(diào)控規(guī)律提供了完整、精確和標(biāo)準(zhǔn)化的參考信息，為“表達啟示型”基因發(fā)育功能研究、調(diào)控狀態(tài)-功能定量生物學(xué)研究、單細(xì)胞-全胚胎-多維度系統(tǒng)生物學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。對于“高等”模式動物，單細(xì)胞分析或為一新興領(lǐng)域，而線蟲發(fā)育生物學(xué)進入單細(xì)胞時代已逾40載。研究提示，即便是僅由千余個細(xì)胞構(gòu)成的“簡單”生物，對其發(fā)育調(diào)控動態(tài)性、多樣性和復(fù)雜性的認(rèn)知才剛剛開始。

Nature Methods在News & Views欄目同期發(fā)表評述文章The long and winding road of development: a coordinated song of transcription factors，對該工作進行推介。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）、國家自然科學(xué)基金和分子發(fā)育生物學(xué)國家重點實驗室的資助。北京生命科學(xué)研究所參與部分工作。

轉(zhuǎn)錄因子單細(xì)胞蛋白表達動態(tài)圖譜揭示發(fā)育命運圖式建立的分子調(diào)控基本框架

來源： 遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所