海鞘早期胚胎发育的单细胞转录组研究

In animal development, how are different cell fates generated from a single fertilized egg? During each cell division, what are the gene expression differences between two daughter cells that have different fates? How do these differential gene expression patterns control asymmetry cell fate decision? Traditionally, in situ hybridization is the primary tool to determine gene expression patterns in the embryo. However, in situ experiments have low cellular resolution, making it difficult to precisely locate gene expression in the embryo and thus correlating gene expression profiles with individual cell fates and cell behavior. Recently, advances in single cell genomics made it possible to study gene expression profiles in individual embryonic cells, thus making it possible to precisely determine gene expression in every single cell of a developing embryo. Ciona intestinalis is a Urochordate model organism whose embryonic development closely resemble vertebrate embryogenesis. At the same time, Ciona embryos have fewer cells and fixed cell lineages, making it possible to track the development of each cell lineage during embryogenesis. In this study, we propose to use single cell RNA-seq technique to determine gene expression profiles in each blastomere within the 110-cell stage Ciona embryo, during which time primary embryonic cell fates are first being specified. We will systematically analyze single cell gene expression patterns to determine genes that contribute to these early cell fate specification events. Our work will be the first to reconstruct a multicellular animal development process at the single cell level

在胚胎发育中，不同细胞类型是如何从单一受精卵分化而来的？在细胞分裂过程中，两个子代细胞间的基因表达差异是什么，这些差异如何决定子代细胞命运的差别？长期以来，研究胚胎基因表达主要依赖原位杂交等低分辨率实验技术，它们只能粗略地把基因定位到某个胚胎区域上，而对区域内部单个细胞的基因表达和个体行为无法研究。随着近年来单细胞测序技术的发展，我们第一次可以从单个细胞、而不是细胞群体或组织块的层面上研究基因表达和细胞命运决定的关系。海鞘是一种重要的海洋模式生物，它和脊椎动物亲缘关系近，而胚胎细胞数目少，细胞谱系固定。在本项目中，我们提出用单细胞组学方法，鉴定110细胞期海鞘胚胎所有55种细胞类型的转录组，通过比较单细胞转录组间的差异，研究细胞命运分化早期决定细胞差异的关键基因。这一工作将在转录水平重构胚胎发育的动态过程，发现细胞谱系分化过程中的转录调控机制，从而把海鞘胚胎发育研究推进到新的层面

多细胞生物从单个受精卵细胞分化出多种细胞类型。最近，基于微滴的单细胞转录组测序技术频繁地被应用到多种模式生物的早期胚胎发育研究中。这些研究通过推测不同细胞类型的发育路径大大提高了我们对细胞是如何进行分化的认知。然而，在大部分模式动物中，精确的细胞分化路径是未知的，推算出的发育路径也只能停留在计算层面。海鞘属于脊索动物门、尾索动物亚门，是脊椎动物最近的进化分支。海鞘胚胎具有细胞数目少、发育谱系固定的优点，是研究细胞命运决定机制的理想模型。在本项研究中，我们对萨式海鞘从受精卵到原肠胚早期各阶段的野生型胚胎进行了单细胞转录组测序，并鉴定了47种细胞类型。我们发现，绝大多数FGF依赖的不对称分裂中，母代细胞偏向于表达默认命运子代的特征基因，而很少表达另一子代的特征基因。通过追踪不同谱系来源的脊索前体的基因表达，我们发现了除已知T/Brachyury基因外的其它脊索发育调控网络中的基因。此外，为了研究FGF信号对细胞命运的影响，我们对药物抑制FGF信号的64细胞期胚胎进行了单细胞转录组测序。借助FGF抑制实验数据，我们发现了新的FGF靶点基因、新的FGF依赖的细胞命运转变（心脏前体向肌肉命运的转变），还证实了线粒体的不对称分布和FGF信号无关。最后，我们将海鞘和小鼠的早期胚胎数据进行了比较，发现海鞘的64-110细胞期适合与小鼠的E6.5-E8.5时期比较，并且两者的同源细胞类型的保守性局限在少数与命运分化相关的重要转录因子上。我们提供的数据集可以用于脊索早期胚胎发育和细胞谱系分化研究中。