利用自动化单细胞分析技术解析线虫进化保守基因的发育功能与调控网络

How genome regulates complex in vivo developmental processes is a central question in genetics and developmental biology. Recent progresses in high-throughput genetic interference, high-resolution live imaging, large-scale fluorescent reagents and high-accuracy image processing-based single-cell analyses enable systems-level analysis of genomic regulation of in vivo development. We propose to use C. elegans embryogenesis as a model to investigate how the evolutionarily conserved genes and their networks regulate complex in vivo development using live imaging and automated single-cell analyses. We plan to (1) perturb 1,000 highly conserved genes individually and quantify cellular developmental phenotypes in terms of proliferation, differentiation and morphogenesis using a combination of live imaging and automated single-cell phenotyping; (2) infer each gene’s function in specific cells and developmental stages through systematic phenotypic analysis; (3) construct an integrated developmental network (iDevNet) to explore general properties and principles of developmental regulatory network; and (4) construct a comprehensive open-access developmental biology database (iDevBase) for quantitative developmental biology, including images, cellular phenotypic measurements, inferred gene function and integrated network. The significance of this proposal is twofold: first, it will reveal new gene function, novel regulatory processes and integrated networks of in vivo development. In addition, it will provide a valuable resource in terms of the richness of information, resolution and scale for follow-up mechanistic analyses, network simulation and systems biology of development.

基因组如何调控复杂发育是遗传学与发育生物学研究的重大课题。高通量遗传干扰、高分辨率活体成像、丰富的荧光标记资源和基于图像处理的单细胞分析手段的发展为大规模、高通量地解析基因组的发育功能和调控网络提供契机。本课题拟以线虫胚胎发育为模型，应用活体成像和自动单细胞表型分析等最新方法解析进化保守的基因及其网络如何调控胚胎发育。本课题拟（1）对1,000个进化保守的调控基因进行单基因失活干扰，利用活体显微成像和自动化单细胞表型分析方法，在细胞水平测定细胞增殖、分化和形态建成等发育表型；（2）通过对表型的生物信息分析鉴定基因在特定细胞和发育阶段的调控功能；（3）构建多层次发育调控网络（iDevNet）探索网络的基本特征与规律及保守基因的功能模式。（4）构建发育数据库（iDevBase）分享表型与功能数据，为数量发育生物学研究提供重要资源与推动。本课题对理解基因组功能、发育过程和调控网络有重要意义。

基因组如何调控复杂的体内发育过程是遗传学与发育生物学研究的重要科学问题。高通量遗传干扰、高分辨率活体成像、丰富的荧光标记资源和基于图像处理的单细胞分析手段的发展为大规模、高通量地解析基因组的发育功能和调控网络提供契机。通过本课题的实施，我们较好地完成了既定研究内容和目标，获得了如下重要结果与发现：第一，基于大规模RNA干扰，系统性地分别敲降了线虫908个进化保守基因的功能，结合4D活体成像和单细胞连续追踪方法，绘制了3000多个基因干扰胚胎的发育细胞谱系，并获得了高时空分辨率的表型组学数据。第二，运用单细胞表型定量分析方法，从细胞增殖、分化和形态建成3个重要的发育调控层面，定量分析了发育表型组。发现进化保守基因对于胚胎细胞的发育过程及行为高度必需，绝大多数进化保守基因（>70%）功能地下调诱发细胞表型的异常；与此同时，胚胎可通过补偿、校正、协调和耐受等方式有效应对局部甚至全局的细胞表型异常，呈现高度的发育稳健性。第三，基于表型数据和计算生物学分析，构建了胚胎细胞命运决定的多维度调控网络，发现基因之间的拓扑结构和细胞在谱系之间的亲缘关系共同决定了分化的特性及调控的复杂性。第四，为便于其他研究人员共享我们的结果，并开展进一步基因调控机制研究，我们构建了发育表型组学数据库，实现了对多维发育表型数据和基因功能的可视化。本研究获得的成果可为定量发育生物学研究提供重要资源与推动，我们的研究成果将对理解基因组功能、发育过程和调控网络产生积极的意义。通过本课的实施，在Nucleic Acids Research，Genome Research和Open Biology杂志发表论文3篇，已培养和正在培养研究生4名。