Science：構(gòu)建出真渦蟲(chóng)的完整細(xì)胞圖譜和譜系樹(shù)

相同的干細(xì)胞如何變成復(fù)雜的發(fā)揮著各種各樣功能的體細(xì)胞？干細(xì)胞如何分化為人體中的多種細(xì)胞類(lèi)型是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)科學(xué)的一個(gè)謎。在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自德國(guó)馬克斯-德?tīng)柌紖慰朔肿俞t(yī)學(xué)中心（MDC）和亥姆霍茲中心的研究人員通過(guò)將復(fù)雜的單細(xì)胞RNA技術(shù)與核酸測(cè)序和計(jì)算方法相結(jié)合，構(gòu)建出一種完整而又復(fù)雜的成年動(dòng)物---具體而言是地中海圓頭渦蟲(chóng)，學(xué)名Schmidtea mediterranea---的詳細(xì)細(xì)胞圖譜，并重建出所有被鑒定出的細(xì)胞的譜系樹(shù)。他們的研究結(jié)果也為細(xì)胞再生功能提供了新的見(jiàn)解。相關(guān)研究結(jié)果于2018年4月19日在線(xiàn)發(fā)表在Science期刊上，論文標(biāo)題為“Cell type atlas and lineage tree of a whole complex animal by single-cell transcriptomics”。論文通信作者為MDC柏林醫(yī)學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)研究所主任Nikolaus Rajewsky教授。論文*作者為MDC柏林醫(yī)學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)研究所的Mireya Plass博士和Jordi Solana博士。

圖片來(lái)自Salah Ayoub, BIMSB/MDC和Jordi Solana, BIMSB/MDC。

諸如地中海圓頭渦蟲(chóng)之類(lèi)的真渦蟲(chóng)（planarian）是受歡迎的研究對(duì)象，這是因?yàn)樗鼈兪怯郎模寒?dāng)被切割成多個(gè)小塊時(shí)，每個(gè)小塊也能夠*地再生出完整的個(gè)體。它們擁有大量的成體多能性干細(xì)胞，這些干細(xì)胞不斷地更新所有組織和細(xì)胞類(lèi)型。Plass說(shuō)，“為了理解細(xì)胞如何分化，我們需要比較處于不同分化階段的細(xì)胞的基因表達(dá)譜，就像我們?cè)谡鏈u蟲(chóng)中發(fā)現(xiàn)的那樣。我們對(duì)整個(gè)真渦蟲(chóng)進(jìn)行解離，并且通過(guò)對(duì)它們的mRNA轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行測(cè)序，描述了成千上萬(wàn)個(gè)細(xì)胞。”這些研究人員鑒定出37種不同的細(xì)胞類(lèi)型，它們中的23種是終末分化的，此外還有多種干細(xì)胞和所謂的處于不同分化階段的祖細(xì)胞。

論文共同作者、MDC柏林醫(yī)學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)研究所的Christine Kocks博士說(shuō)，“我們隨后利用一種新的計(jì)算算法，即由Alexander Wolf博士和Fabian Theis教授開(kāi)發(fā)出的PAGA，預(yù)測(cè)一種包括所有被鑒定出的由同一個(gè)干細(xì)胞群體產(chǎn)生的細(xì)胞類(lèi)型的譜系樹(shù)。”這些研究人員隨后將這種預(yù)測(cè)結(jié)果與其他的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方法---對(duì)純化的干細(xì)胞和來(lái)自干細(xì)胞已被耗盡的真渦蟲(chóng)的細(xì)胞進(jìn)行測(cè)序；基因表達(dá)變化；來(lái)自PAGA 的無(wú)監(jiān)督譜系樹(shù)預(yù)測(cè)；一種近期發(fā)布的被稱(chēng)作velocyto的方法，它利用依據(jù)前體形式和成熟形式的mRNA轉(zhuǎn)錄本估計(jì)的mRNA代謝預(yù)測(cè)未來(lái)的細(xì)胞狀態(tài)---相結(jié)合，構(gòu)建出一種強(qiáng)健的由多種獨(dú)立的證據(jù)證實(shí)的譜系樹(shù)。此外，他們能夠鑒定出參與沿著這種譜系樹(shù)的細(xì)胞分化過(guò)程的基因程序。

這些研究人員還發(fā)現(xiàn)了幾種新的細(xì)胞類(lèi)型，它們位于之前在分子研究中被忽略的真渦蟲(chóng)實(shí)質(zhì)組織（parenchyma）中，并且在真渦蟲(chóng)的再生過(guò)程中發(fā)揮重要作用。這些細(xì)胞所占的比例在再生中的真渦蟲(chóng)內(nèi)顯著減少，這提示著這些細(xì)胞促進(jìn)真渦蟲(chóng)中的“身體重塑”過(guò)程。

通過(guò)一種交互式應(yīng)用程序（https://shiny.mdc-berlin.de/psca/），科學(xué)家們能夠查詢(xún)這些數(shù)據(jù)并且研究細(xì)胞分化和再生期間的特定基因表達(dá)變化。利用PAGA和velocyto進(jìn)行細(xì)胞譜系樹(shù)構(gòu)建的詳細(xì)在線(xiàn)教程（https://github.com/rajewsky-lab/planarian_lineages）將為未來(lái)的研究提供指導(dǎo)。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Mireya Plass1,*, Jordi Solana1,*,†, F. Alexander Wolf et al. Cell type atlas and lineage tree of a whole complex animal by single-cell transcriptomics. Science, Published online: 19 Apr 2018, doi:10.1126/science.aaq1723