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陈凯博士等绘制出首个脊索动物完整胚胎发育单细胞转录谱系

文章来源: BioArt       发布时间:2019-07-11

2019年7月11日,普林斯顿大学陈凯博士(已于2018年11月加入昆明理工大学灵长类转化医学研究院,注1)和Mike Levine院士(hox基因的共同发现者)合作在Nature杂志以长文形式发表了题为Comprehensive single-cell transcriptome lineages of a proto-vertebrate的研究论文。他们所在的研究团队以玻璃海鞘为模型,绘制了首个涵盖从三胚层分化到孵化全过程的脊索动物胚胎发育单细胞转录图谱,并成功构建了包括神经系统在内全部组织类型的细胞分化谱系。


陈凯博士等绘制出首个脊索动物完整胚胎发育单细胞转录谱系


在此基础上,研究团队能够有效地探索细胞命运决定过程中的基因调控网络,并对脊索和神经系统基因调控网络的细致分析,揭示了脊索在整个脊索动物门进化过程的中间态,并提出脊椎动物特有的端脑(telencephalon)可能的新进化机制。


利用这些高覆盖率的转录组数据,文章的共同第一作者曹晨博士构建了包含幼虫神经系统近40个亚型的各种主要组织类型的虚拟细胞谱系图和基因网络。这些细胞谱系可以追溯回原肠胚初始的110-细胞阶段,包括生殖系,未分化的内胚层组织,两个来源的脊索细胞(来自A谱系的初始脊索和B谱系的次级脊索),不同起源的肌肉谱系,在神经胚就开始命运决定的9类间充质细胞,以及由A谱系和a/b谱系构成的复杂神经系统。


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海鞘(Ciona intestinalis)


作为无脊椎往脊椎过渡的进化节点动物,海鞘在了解脊索/脊椎动物新细胞类型的进化上有着重要的研究意义,包括脊索和各种新型神经细胞类型。通过对A和B谱系脊索细胞分化的转录谱分析,研究团队发现B谱系的脊索在原肠胚阶段表达一些肌肉发育的转录因子(Tbx6a/b/c/d),随后表达许多肌肉相关的功能基因。进一步的报告基因验证发现有着Tbx6结合序列的Casq1/2和C9.405增强子能特异地让荧光蛋白在肌肉和次级脊索中表达。这些证据充分证明了海鞘的脊索在进化上介于以文昌鱼为代表的头索动物和脊椎动物之间,即A谱系的脊索具有脊椎动物的特征,而B谱系脊索有类似文昌鱼脊索的部分肌肉功能。


端脑是公认的脊椎动物的主要进化创新,为之后高等脊椎动物大脑皮层的进化提供基础。目前被广泛接受的假说是原始前脑的分区,形成间脑和端脑。通过对构建的玻璃海鞘所有前脑和相关细胞谱系的调控基因分析,研究团队发现主要的端脑发育转录因子在玻璃海鞘都有表达,但分别在两个结构上完全不同的区域。其中Six3/6, FoxJ1, Lhx2/9和Otp在前脑最前侧表达,而FoxG, Dlx和SP8则在神经基板来源的感受细胞表达。基于这些结果,研究团队提出端脑有可能是前脑在神经管闭合过程中进一步往末端延伸,将神经基板的调控网络整合形成。为了验证这一个假说,为了验证这一个假说,来自Stowers Institute的王伟博士加入这项研究,通过将连接着海鞘FoxG增强子的报告基因注射到非洲鳉鱼(N. furzeri)受精卵中(注2),利用非洲鳉鱼性成熟极快的特点快速建立了稳定的转基因系,他惊喜地发现这个在神经基板里特异表达的荧光蛋白在鳉鱼幼虫的端脑最末端表达。这一发现和提出的前脑和神经基板基因网络整合的假说相一致,为脊椎动物端脑的起源和进化提供了重要分子证据。


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海鞘生命之河


研究背景


解析细胞命运决定过程的转录动态是发育生物学的核心问题之一。然而在以调控发育(regulatory development)为主的多数动物模型中,细胞种类的多样性和发育过程的复杂性让这一问题很难在体内有效回答。与之相反,包括线虫和海鞘在内的镶嵌发育(mosaic development)动物因胚胎发育个体差异极小,细胞谱系清楚,非常适合研究细胞命运决定过程中的转录调控。尤其是海鞘,作为脊椎动物的近亲,在探索脊索动物细胞命运决定保守机制和进化发育上有着极其重要的地位。


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