生命體的構(gòu)建始于胚胎發(fā)育，其調(diào)控高度動(dòng)態(tài)復(fù)雜。發(fā)育圖式（developmental patterning）如何建立，即受精卵產(chǎn)生的各個(gè)細(xì)胞如何獲得特定命運(yùn)，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(wèn)題。20世紀(jì)70年代至80年代，發(fā)育生物學(xué)家John Sulston繪制秀麗線蟲(chóng)全部體細(xì)胞的發(fā)育起源和譜系關(guān)系，首次揭示了多細(xì)胞動(dòng)物整個(gè)發(fā)育過(guò)程的細(xì)胞圖譜（cell atlas），在單細(xì)胞水平系統(tǒng)地刻畫(huà)了發(fā)育圖式建立過(guò)程，線蟲(chóng)也成為高精度解析發(fā)育動(dòng)態(tài)調(diào)控的先導(dǎo)模式動(dòng)物。

相比清晰全面的細(xì)胞圖譜，其內(nèi)部的分子動(dòng)態(tài)調(diào)控過(guò)程仍有待深入研究，切入點(diǎn)是闡明各個(gè)細(xì)胞在各個(gè)時(shí)刻的基因表達(dá)和調(diào)控。當(dāng)前，單個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組測(cè)定已成為可能，而如何將轉(zhuǎn)錄組與細(xì)胞身份精確對(duì)應(yīng)，達(dá)成單細(xì)胞注釋精度仍然困難。如何進(jìn)一步提高表達(dá)分析的時(shí)間精度和維度，實(shí)現(xiàn)原位、實(shí)時(shí)、連續(xù)地解析蛋白的動(dòng)態(tài)變化也有待探索。7月26日，Nature Methods在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所杜茁研究組在轉(zhuǎn)錄因子單細(xì)胞蛋白動(dòng)態(tài)表達(dá)和命運(yùn)圖式建立調(diào)控規(guī)律解析研究的新進(jìn)展（A 4D single-cell protein atlas of transcription factors delineates spatiotemporal patterning during embryogenesis）。聚焦發(fā)育調(diào)控關(guān)鍵基因——轉(zhuǎn)錄因子，該研究構(gòu)建了數(shù)百個(gè)可指示蛋白動(dòng)態(tài)表達(dá)的熒光報(bào)告品系，綜合活體成像、細(xì)胞鑒定、實(shí)時(shí)譜系追蹤、單細(xì)胞熒光定量分析，在原位、4D、單細(xì)胞水平解析了轉(zhuǎn)錄因子在各個(gè)細(xì)胞的蛋白動(dòng)態(tài)表達(dá)。該研究采用非損傷方式，通過(guò)成像和細(xì)胞追蹤對(duì)細(xì)胞身份予以精確判定，并系統(tǒng)整合多個(gè)蛋白的單細(xì)胞表達(dá)水平，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的單細(xì)胞注釋精度的蛋白動(dòng)態(tài)表達(dá)解析。

利用該圖譜，該研究首先多維度解析了細(xì)胞命運(yùn)圖式建立的分子調(diào)控框架。研究顯示，轉(zhuǎn)錄因子在四個(gè)層級(jí)（譜系來(lái)源、體軸定位、細(xì)胞類型、發(fā)育時(shí)間），通過(guò)時(shí)間和空間上的部分重疊和交錯(cuò)組合，逐步賦予不同細(xì)胞各異的調(diào)控狀態(tài)。每個(gè)層次的區(qū)分均涉及多個(gè)表達(dá)部分相似的不同轉(zhuǎn)錄因子，賦予調(diào)控過(guò)程的高度穩(wěn)固型，計(jì)算模擬顯示去除數(shù)十個(gè)轉(zhuǎn)錄因子僅對(duì)圖式建立的精確度造成有限影響。該結(jié)果初步揭示了復(fù)雜的命運(yùn)圖式逐級(jí)建立過(guò)程的調(diào)控邏輯。

為理解轉(zhuǎn)錄因子發(fā)育功能，科研人員整合了單細(xì)胞表達(dá)相似性和基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)錄因子-靶基因信息，構(gòu)建了時(shí)空特異性調(diào)控回路，涵蓋161個(gè)發(fā)育時(shí)空模塊中8000多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子間調(diào)控關(guān)系，并基于此揭示了經(jīng)典調(diào)控基因的新功能和新發(fā)育調(diào)控過(guò)程。例如，研究發(fā)現(xiàn)ELT-1/GATA3除了經(jīng)典的調(diào)控表皮細(xì)胞命運(yùn)之外，同時(shí)控制同譜系神經(jīng)前體細(xì)胞的命運(yùn)，提示ELT-1功能的實(shí)質(zhì)為在譜系層級(jí)同時(shí)調(diào)控表皮和神經(jīng)命運(yùn)。在另一分析中，研究揭示了M03D4.4/VEZF1在肌肉亞型細(xì)胞的趨同分化中的關(guān)鍵功能，體壁和咽喉肌肉細(xì)胞不同的上游調(diào)控信號(hào)匯聚于M03D4.4，通過(guò)將之激活并與之協(xié)同發(fā)揮功能，調(diào)控肌肉功能基因從而介導(dǎo)了位于軀體不同部位，具有不同發(fā)育起源的同類型細(xì)胞的趨同分化過(guò)程。因此，高精度“表達(dá)啟示型”（expression-informed）研究范式可高效解析發(fā)育調(diào)控。

高時(shí)空精度的分子與細(xì)胞圖譜的整合，為模擬和解析細(xì)胞調(diào)控狀態(tài)與細(xì)胞命運(yùn)的動(dòng)態(tài)關(guān)系提供幫助。該研究系統(tǒng)探究了調(diào)控狀態(tài)的多樣性和復(fù)雜性。研究表明，狀態(tài)隨譜系展開(kāi)首先高度差異化，盡管同類組織細(xì)胞在隨后發(fā)生趨同，仍呈現(xiàn)高度的依賴于譜系來(lái)源的狀態(tài)多樣性。因此，細(xì)胞的發(fā)育歷史對(duì)其最終功能的塑造起著重要影響，而譜系的組織方式?jīng)Q定了同類細(xì)胞狀態(tài)及功能的多樣性。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞調(diào)控狀態(tài)隨發(fā)育持續(xù)變化，直至終末分裂，其轉(zhuǎn)變軌跡高度非定向，提示W(wǎng)addington發(fā)育地貌蜿蜒曲折，細(xì)胞歷經(jīng)多個(gè)中間狀態(tài)，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的“繞路”到達(dá)終點(diǎn)。

綜上，該研究為解析胚胎發(fā)育的分子調(diào)控規(guī)律提供了完整、精確和標(biāo)準(zhǔn)化的參考信息，為“表達(dá)啟示型”基因發(fā)育功能研究、調(diào)控狀態(tài)-功能定量生物學(xué)研究、單細(xì)胞-全胚胎-多維度系統(tǒng)生物學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。對(duì)于“高等”模式動(dòng)物，單細(xì)胞分析或?yàn)橐恍屡d領(lǐng)域，而線蟲(chóng)發(fā)育生物學(xué)進(jìn)入單細(xì)胞時(shí)代已逾40載。研究提示，即便是僅由千余個(gè)細(xì)胞構(gòu)成的“簡(jiǎn)單”生物，對(duì)其發(fā)育調(diào)控動(dòng)態(tài)性、多樣性和復(fù)雜性的認(rèn)知才剛剛開(kāi)始。

Nature Methods在News & Views欄目同期發(fā)表評(píng)述文章The long and winding road of development: a coordinated song of transcription factors，對(duì)該工作進(jìn)行推介。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、國(guó)家自然科學(xué)基金和分子發(fā)育生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。北京生命科學(xué)研究所參與部分工作。

轉(zhuǎn)錄因子單細(xì)胞蛋白表達(dá)動(dòng)態(tài)圖譜揭示發(fā)育命運(yùn)圖式建立的分子調(diào)控基本框架

來(lái)源： 遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所