科學(xué)家以果蠅為模型生物，構(gòu)建了迄今為止最完整、最詳細(xì)的動(dòng)物胚胎發(fā)育單細(xì)胞圖譜。這一發(fā)表在最新一期《科學(xué)》雜志上的成果，利用了來(lái)自100多萬(wàn)個(gè)各個(gè)發(fā)育階段的胚胎細(xì)胞數(shù)據(jù)，代表了多個(gè)層面的重大進(jìn)步，有助于科學(xué)家探索突變?nèi)绾螌?dǎo)致不同的發(fā)育缺陷，以及了解人類(lèi)基因組中與大多數(shù)疾病相關(guān)突變的龐大非編碼部分。

“拍攝胚胎生長(zhǎng)的全部過(guò)程，即所有階段和所有細(xì)胞類(lèi)型，就能更全面地了解伴隨發(fā)育而來(lái)的細(xì)胞狀態(tài)和分子變化。”領(lǐng)導(dǎo)該研究的歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家艾琳·弗隆說(shuō)，他們能利用深度學(xué)習(xí)來(lái)獲得驅(qū)動(dòng)胚胎發(fā)育的分子變化的連續(xù)視圖——精確到分鐘。

胚胎發(fā)育始于卵子受精，隨后是一系列細(xì)胞分裂和分化，形成一個(gè)非常復(fù)雜的多細(xì)胞胚胎，可移動(dòng)、進(jìn)食、感知并與環(huán)境相互作用。研究人員對(duì)這一胚胎發(fā)育過(guò)程的研究已有一百多年的歷史。然而，由于采樣、成本和技術(shù)方面的許多挑戰(zhàn)，在單細(xì)胞分辨率下描述整個(gè)胚胎發(fā)育幾乎是不可能的。

在這方面，果蠅是發(fā)育生物學(xué)、基因調(diào)控和染色質(zhì)生物學(xué)中的一種模式生物，其胚胎發(fā)育非常迅速，受精后僅20小時(shí)內(nèi)，所有組織都已經(jīng)形成，包括大腦、腸道和心臟。

本研究描述了近100萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的開(kāi)放染色質(zhì)和50萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的RNA，這些細(xì)胞來(lái)自重疊的時(shí)間點(diǎn)，跨越了果蠅胚胎發(fā)育的整個(gè)過(guò)程。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研究人員利用重疊的時(shí)間點(diǎn)以更精細(xì)的分辨率預(yù)測(cè)每個(gè)細(xì)胞的精確發(fā)育時(shí)間。

研究人員表示，盡管收集的樣本包含的胚胎在2或4小時(shí)的時(shí)間窗口內(nèi)年齡略有不同，但他們的方法能以幾分鐘為單位放大胚胎發(fā)育時(shí)間軸的任何部分。

這項(xiàng)研究可作為其他模型系統(tǒng)的框架。例如，哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育、體外細(xì)胞分化，甚至疾病細(xì)胞的藥物治療等，可設(shè)計(jì)采樣時(shí)間的間隙，以便以更高的分辨率進(jìn)行最佳時(shí)間預(yù)測(cè)。