我们如何从一个细胞变成一个复杂的、完整的多细胞有机体?尽管发育生物学家长期以来一直在研究这一基本问题,但斯坦福大学生物学家和HHMI研究人员多米尼克·伯格曼(Dominique Bergmann)最近对拟南芥的研究发现了令人惊讶的答案。
在4月5日发表在《发育细胞》(Development Cell)上的一项新研究中,在伯格曼和博士后学者卡米拉·洛佩兹·阿尼多的带领下,研究人员利用单细胞RNA测序技术追踪了近2万个细胞形成拟南芥叶片表面和内部的遗传活动。通过这项非常详细的技术,研究人员捕捉到了短暂而罕见的细胞状态,并发现细胞如何穿越各种身份,特别是在干细胞群体的早期,存在着令人惊讶的模糊性。
“所有的细胞都是协调的,但它们都是拥有自己基因程序的个体,”他说伯格曼是雪莉·R.和伦纳德·W·伊利(Leonard W.Ely),后者是人文科学学院的教授,也是这项研究的资深作者因此,我们正致力于在看到每一种昆虫的新的、特别的和独特的一面,同时也认识到它们是如何协同工作的,这两者之间的平衡,生物发展的某些方面只有通过研究其他生物才能理解,比如植物拟南芥,这是伯格曼实验室的专长。
“当我们思考面对变化世界的灵活性和弹性时,该研究的主要作者洛佩兹·阿尼多说:“我们希望更多地了解生物体在承受压力或暴露在极端环境中时,如何建立起具有功能的身体。”这就需要研究具有灵活和可调节生活方式的生物体,例如我们研究的植物。”
作为艺术家家族的一员,洛佩兹·阿尼多也以独特的艺术视角来诠释和分享这项研究。在论文本身中,她使用了一个点式分析软件来优雅地组织和可视化她庞大的数据集。此外,她的姐姐、艺术家弗吉尼亚·洛佩兹·阿尼多(Virginia Lopez Anido)以卡米拉的研究为灵感创作了一幅艺术作品,这幅作品将登上《发育细胞》(Development Cell)的封面,这部作品的细节令人惊讶,而此前在拟南芥(Arabidopsis)上的实验已经发现了一些制造特殊细胞的重要基因和步骤,这个新的逐单元数据填充了开发的更多细节。例如,研究人员发现,细胞可能会加倍回到他们似乎遵循的发展道路上,也有可能向前跳跃。他们还注意到,相对于老干细胞,新干细胞调节细胞类型间转换的方式可能有所不同;虽然他们之前知道细胞分化的核心步骤,但他们发现实际上有许多小的步骤,一个特别有趣的发现涉及到一个关键的基因,叫做无言基因,它在气孔的形成中起作用,叫做气孔,植物通过气孔交换气体和调节水分含量。伯格曼实验室已经对无语进行了广泛的研究,但新的数据暗示,无语表达的时间比他们预期的要长。在一个后续实验中,研究人员能够在基因完成已知的功能后,但比新数据显示的要快的时候,选择性地将其移除。果不其然,开发项目偏离了轨道——研究人员现在正在努力找出原因。
“这与我们认为我们知道的是矛盾的,真的很令人兴奋,”伯格曼说它让我们想挖掘其他意想不到的细节——数据中看似微不足道的小细节——看看我们遗漏了什么。”
伯格曼赞扬了洛佩兹·阿尼多,这项工作激发了多种研究途径,包括重新考虑干细胞的意义,重新定义定义最终分化阶段的事件重新评估作为一个细胞出生在一片叶子的顶部和底部意味着什么,需要机器学习算法。所以,Lopez Anido创建了一个组织框架,这个框架是围绕一个最广泛使用的分析工具构建的,这个工具被称作修拉(Seurat),以点画画家Georges Seurat的名字命名。与点画一样,代表单个细胞及其特定基因表达特征的单个点在可视化中混合在一起,使研究人员能够看到大规模的趋势。
维吉尼亚·洛佩兹·阿尼多用另一种方式将卡米拉的工作形象化。她开发了一个关于科学探究性质的绘画系列,以及一个粘土模型系列的组织景观,灵感来自气孔的扫描电子显微镜图像,这是一种将美化发育细胞封面的艺术卡米拉·洛佩兹·阿尼多说:“这对我来说非常重要,他通过公民科学项目在巴德学院教授科学素养,不久将开始在里德学院担任生物学助理教授。”我期待着为我的学员培养更多这些有意义的研究经验和合作。”
这项研究由国立卫生研究院、EMBO和德国研究基金会资助。伯格曼是霍华德休斯医学研究所的研究员,该研究所也为这项研究提供了资金
Journal Reference:
Camila B. Lopez-Anido, Anne Vatén, Nicole K. Smoot, Nidhi Sharma, Victoria Guo, Yan Gong, M. Ximena, Anleu Gil, Annika K. Weimer, Dominique C. Bergmann. Single-cell resolution of lineage trajectories in the Arabidopsis stomatal lineage and developing leaf. Developmental Cell, 2021 DOI: 10.1016/j.devcel.2021.03.014