香港大学发文《PNAS》认领单细胞的转录组年龄

2023-04-21 10:41:37 来源：今日健康网作者：分享：

编辑推荐：

　　最近，一个研究小组在一种名为秀丽隐杆线虫(C. elegans)的小动物身上发现了不同类型细胞的进化年龄。通过使用单细胞转录组数据和精细的年龄层学phylostratigraphy），研究小组确定了单个细胞的转录组年龄，这意味着他们能够根据细胞中表达的基因的年龄来估计不同细胞的进化起源。

在生物制品的开发和生产流程中，如何高效地筛选单细胞？欢迎索取高通量微流控单细胞分析筛选系统Cyto-Mine的详细资料>> 　　

香港大学生物科学学院Chaogu ZHENG博士领导的研究小组最近在一种名为秀丽隐杆线虫的小动物体内不同类型细胞的进化年龄方面取得了重大发现。通过使用单细胞转录组数据和精细的年龄层学phylostratigraphy），研究小组确定了单个细胞的转录组年龄，这意味着他们能够根据细胞中表达的基因的年龄来估计不同细胞的进化起源。

他们的发现揭示了动物发育“沙漏”模式的细胞基础，揭示了不同细胞类型的转录组年龄的显著差异。这些结果也为不同细胞和组织对适应的不同贡献以及细胞类型之间的进化关系提供了见解。这些发现为推动物种进化的遗传机制提供了新的视角，并发表在领先的多学科期刊PNAS上。

沙漏模型分子研究的启示

所有动物的胚胎在胚胎发育的中期具有相似的形态，而在早期和后期具有较大的形态差异。这种模式通常被称为发育的“沙漏”模式，这意味着所有动物的发育在胚胎中期都经历了一个进化上保守的阶段。

最近的分子研究表明，胚胎发生中期的胚胎表达最古老的转录组，这意味着在基因表达过程中使用了最古老和最保守的基因。相反，年轻的基因在胚胎发育的早期和晚期表达。这是通过使用一种称为系统地层学的技术分析不同发育阶段胚胎的基因表达而发现的，这种技术通过比较不同物种的基因序列来确定基因年龄。

然而，这些研究的局限性在于，它们只能确定整个生物体在整个发育过程中的转录组年龄，而不能确定单个细胞或组织的转录组年龄。这种限制是重要的，因为获得特定细胞和组织中表达的基因年龄的信息对于更详细地了解物种之间发育模式的进化以及驱动它的遗传机制至关重要。此外，它还可以揭示个体组织和细胞如何对“沙漏”模式做出贡献，这是理解不同器官和组织如何对动物整体发育过程的进化和适应做出贡献的关键方面。

从整体有机体到单细胞分析

为了填补这一知识空白，研究小组利用RNA测序在单细胞水平上研究了秀丽隐杆线虫的转录组年龄。他们观察整个胚胎(或有机体)和单个细胞的RNA表达，以全面了解胚胎和幼虫发育过程中不同基因的使用情况。

研究小组首先确定了秀丽隐杆线虫中期胚胎发生期间最古老转录组的一段时间，这段时间开始于原肠胚形成之后，这一过程在胚胎中形成了不同的胚层，并持续到器官的早期发育。更重要的是，研究小组发现，在早期胚胎中，某些细胞比其他细胞使用更古老的基因。例如，后来成为生殖系(负责将遗传信息传递给后代)的细胞使用比体内体细胞组织更古老的基因。同样，在早期发育过程中，与其他类型的细胞相比，后来成为内胚层(形成消化道)的细胞使用了更古老的基因。在分化的细胞中，肌肉似乎比其他细胞类型具有最古老的转录组。

我们还观察到，细胞和组织类型之间的转录组年龄差异在胚胎早期很小，在胚胎晚期和幼虫阶段随着细胞分化而变大。沿着谱系追踪转录组年龄的动态，确定了某些组织，如皮肤，有助于胚胎晚期转录组年龄的上升。

对线虫神经系统中128种不同类型神经元的转录组年龄变化的进一步分析表明，一组特定的化学感觉神经元及其下游中间神经元表达非常年轻的转录组，这可能有助于近期进化中的适应，因为许多新进化的年轻基因与感知环境因素有关。最后，通过分析不同神经元类型之间转录组年龄的变化，以及调节它们发育的基因(命运调节器)的年龄，研究小组能够对这128种神经元类型中的一些的进化史进行假设。

香港大学生物科学学院博士后、论文第一作者Fuqiang MA博士说:“以秀丽隐杆线虫为例，我们展示了单细胞水平的转录组老化如何能够深入了解发育创新的细胞基础，并有助于理解细胞类型的功能多样性和进化起源。”

该研究项目的主管ZHENG博士强调，“这项研究是利用尖端的单细胞转录组学来研究进化生物学中的老问题的一个例子。”在转录组水平上确定单个细胞类型的进化年龄的可能性可以开辟新的研究方向，并促进我们对驱动物种进化的遗传机制的理解。

Fuqiang Ma, Chaogu Zheng. Transcriptome age of individual cell types in Caenorhabditis elegans. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023; 120 (9)