生命體的構建始于胚胎發(fā)育，其調控高度動態(tài)復雜。發(fā)育圖式（developmental patterning）如何建立，即受精卵產生的各個細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70年代至80年代，發(fā)育生物學家John Sulston繪制秀麗線蟲全部體細胞的發(fā)育起源和譜系關系，首次揭示了多細胞動物整個發(fā)育過程的細胞圖譜（cell atlas），在單細胞水平系統地刻畫了發(fā)育圖式建立過程，線蟲也成為高精度解析發(fā)育動態(tài)調控的先導模式動物。

相比清晰全面的細胞圖譜，其內部的分子動態(tài)調控過程仍有待深入研究，切入點是闡明各個細胞在各個時刻的基因表達和調控。當前，單個細胞的轉錄組測定已成為可能，而如何將轉錄組與細胞身份精確對應，達成單細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)表了中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所杜茁研究組在轉錄因子單細胞蛋白動態(tài)表達和命運圖式建立調控規(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)育調控關鍵基因——轉錄因子，該研究構建了數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、細胞鑒定、實時譜系追蹤、單細胞熒光定量分析，在原位、4D、單細胞水平解析了轉錄因子在各個細胞的蛋白動態(tài)表達。該研究采用非損傷方式，通過成像和細胞追蹤對細胞身份予以精確判定，并系統整合多個蛋白的單細胞表達水平，實現了真正意義上的單細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胞命運圖式建立的分子調控框架。研究顯示，轉錄因子在四個層級（譜系來源、體軸定位、細胞類型、發(fā)育時間），通過時間和空間上的部分重疊和交錯組合，逐步賦予不同細胞各異的調控狀態(tài)。每個層次的區(qū)分均涉及多個表達部分相似的不同轉錄因子，賦予調控過程的高度穩(wěn)固型，計算模擬顯示去除數十個轉錄因子僅對圖式建立的精確度造成有限影響。該結果初步揭示了復雜的命運圖式逐級建立過程的調控邏輯。

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

高時空精度的分子與細胞圖譜的整合，為模擬和解析細胞調控狀態(tài)與細胞命運的動態(tài)關系提供幫助。該研究系統探究了調控狀態(tài)的多樣性和復雜性。研究表明，狀態(tài)隨譜系展開首先高度差異化，盡管同類組織細胞在隨后發(fā)生趨同，仍呈現高度的依賴于譜系來源的狀態(tài)多樣性。因此，細胞的發(fā)育歷史對其最終功能的塑造起著重要影響，而譜系的組織方式決定了同類細胞狀態(tài)及功能的多樣性。研究進一步發(fā)現，細胞調控狀態(tài)隨發(fā)育持續(xù)變化，直至終末分裂，其轉變軌跡高度非定向，提示Waddington發(fā)育地貌蜿蜒曲折，細胞歷經多個中間狀態(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)育的分子調控規(guī)律提供了完整、精確和標準化的參考信息，為“表達啟示型”基因發(fā)育功能研究、調控狀態(tài)-功能定量生物學研究、單細胞-全胚胎-多維度系統生物學研究奠定基礎。對于“高等”模式動物，單細胞分析或為一新興領域，而線蟲發(fā)育生物學進入單細胞時代已逾40載。研究提示，即便是僅由千余個細胞構成的“簡單”生物，對其發(fā)育調控動態(tài)性、多樣性和復雜性的認知才剛剛開始。

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)略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金和分子發(fā)育生物學國家重點實驗室的資助。北京生命科學研究所參與部分工作。

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

來源： 遺傳與發(fā)育生物學研究所