编者按：探究基因组中每个基因在胚胎发育过程对个体表型的作用，是发育遗传学的核心目标。单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术的发展，使得建立全面的胚胎细胞图谱成为可能。然而，现有的数据大多源自野生型胚胎，尚未评估发育过程中潜在的变异。能否像编程语言一样对生命发育基因进行“逆向编译”？美国华盛顿大学在《Nature》上的研究首次实现了在斑马鱼胚胎中进行全胚胎尺度和单细胞精度的反向遗传操作，并构建了“受干扰胚胎的斑马鱼单细胞图谱”（ZSCAPE）。这一研究利用斑马鱼Crispant技术、高通量单细胞核RNA测序及Sci-Plex多重标记技术，识别出33种主要组织中的99种细胞类型和156种细胞亚型。这为大规模高通量的胚胎发育及基因功能研究奠定了基础，加速了对胚胎发育的理解，并促进了对特定基因突变在细胞层面的致病机制的探索。

研究概述

本研究构建了“受干扰胚胎的斑马鱼单细胞图谱”，收集了1812个解析斑马鱼胚胎发育的单细胞转录组数据，涵盖了19个时间点、23种遗传干扰和3200万个细胞。研究的高复现性（每个条件下至少包含八个胚胎）使研究人员能够评估整体生物体内的细胞类型丰度变化，并检测相较于野生型胚胎的扰动依赖性偏差。该方法对稀有细胞类型的敏感性很高，能够解析脑神经节神经元的发育轨迹及其遗传依赖性。此外，单一突变体的时间序列分析揭示了一组转录组与脊索鞘细胞惊人相似的短距离独立细胞，提出了关于头骨早期起源的新假设。研究人员预测，从多个个体胚胎中标准化收集高分辨率的单细胞数据，将有助于揭示斑马鱼细胞类型的遗传依赖性，并解决发育遗传学中的长久挑战，包括个体表型多样性背后的细胞和转录可塑性问题。

主要研究成果

1. ScEdiT单细胞编辑追踪技术的创新突破

该研究通过整合Sci-Plex多重标记技术、CRISPR-Cas9基因编辑技术和单细胞转录组测序（sci-RNA-seq3）技术，首创了ScEdiT单细胞编辑追踪技术平台，显著推进大规模及高通量胚胎发育的研究。Sci-Plex多重标记技术可以在不同样本中实现细胞或细胞核的“散列”标记，进而追溯细胞来源，允许同时分析多个个体；而斑马鱼Crispant技术则在胚胎早期阶段（F0）高效产生突变体，使基因编辑不再依赖于传统方法的繁琐周期；单细胞转录组测序技术可对数百万个细胞核的转录组进行快速分析，动态追踪其变化，提高了实验效率。

2. ZSCAPE斑马鱼单细胞图谱的建立

本研究构建的ZSCAPE“受干扰胚胎的斑马鱼单细胞图谱”整合了1812个解析斑马鱼胚胎发育的单细胞转录组数据，覆盖19个时间点、23种遗传干扰和320万个单细胞转录组。研究人员在每个时间点收集48至140个胚胎，在四次单细胞组合索引RNA测序（sci-RNA-seq3）实验中获取约17000至231000个高质量单核转录组的数据。尽管这些数据来自不同平台，它们与早期的斑马鱼scRNA-seq数据相一致。整体而言，研究人员识别出33种主要组织、99种广泛的细胞类型和156种细胞亚型，推动了精细的胚胎发育研究。

3. 高分辨率胚胎表型分析

研究人员基于斑马鱼Crispant技术和Sci-Plex标记分析了由CRISPR–Cas9突变产生的斑马鱼F0敲除物，观察其在发育过程中的细胞组成变化和单细胞遗传扰动。通过针对23个基因扰动导致的102种细胞丰度变化的量化分析，发现，例如noto敲除减少脊索细胞、增加底板细胞。此外，发现cdx4敲除导致中脑神经前体细胞中hoxb3a/hoxc3a/hoxc6b这三个Hox基因显著下调。研究人员还识别出了多种显著差异丰度的细胞类型（DACTs），如调控早期体节谱系的转录因子突变体一同表现出一致且显著的细胞丰度变化，揭示了这些因子在谱系发育中的协同控制作用。

总的来看，研究团队通过创新技术和方法绘制了斑马鱼胚胎发育的新图谱，为促进精准医疗、构建遗传依赖全景图谱打下了坚实基础。作为健康美丽产业的引领者，人生就是博-尊龙凯时拥有超过十年的斑马鱼基因编辑领域的经验，期待为科研工作者提供更多支持，推动生物医学前沿的发展。