科學家以果蠅為模型生物，構建了迄今為止最完整、最詳細的動物胚胎發(fā)育單細胞圖譜。這一發(fā)表在最新一期《科學》雜志上的成果，利用了來自100多萬個各個發(fā)育階段的胚胎細胞數據，代表了多個層面的重大進步，有助于科學家探索突變如何導致不同的發(fā)育缺陷，以及了解人類基因組中與大多數疾病相關突變的龐大非編碼部分。
借助機器學習，科學家繪制出果蠅胚胎發(fā)育連續(xù)圖譜。
圖片來源：歐洲分子生物學實驗室
“拍攝胚胎生長的全部過程，即所有階段和所有細胞類型，就能更全面地了解伴隨發(fā)育而來的細胞狀態(tài)和分子變化。”領導該研究的歐洲分子生物學實驗室科學家艾琳·弗隆說，他們能利用深度學習來獲得驅動胚胎發(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，隨后是一系列細胞分裂和分化，形成一個非常復雜的多細胞胚胎，可移動、進食、感知并與環(huán)境相互作用。研究人員對這一胚胎發(fā)育過程的研究已有一百多年的歷史。然而，由于采樣、成本和技術方面的許多挑戰(zhàn)，在單細胞分辨率下描述整個胚胎發(fā)育幾乎是不可能的。
在這方面，果蠅是發(fā)育生物學、基因調控和染色質生物學中的一種模式生物，其胚胎發(fā)育非常迅速，受精后僅20小時內，所有組織都已經形成，包括大腦、腸道和心臟。
本研究描述了近100萬個細胞的開放染色質和50萬個細胞的RNA，這些細胞來自重疊的時間點，跨越了果蠅胚胎發(fā)育的整個過程。通過機器學習神經網絡，研究人員利用重疊的時間點以更精細的分辨率預測每個細胞的精確發(fā)育時間。
研究人員表示，盡管收集的樣本包含的胚胎在2或4小時的時間窗口內年齡略有不同，但他們的方法能以幾分鐘為單位放大胚胎發(fā)育時間軸的任何部分。
這項研究可作為其他模型系統(tǒng)的框架。例如，哺乳動物胚胎發(fā)育、體外細胞分化，甚至疾病細胞的藥物治療等，可設計采樣時間的間隙，以便以更高的分辨率進行最佳時間預測。
