陳凱博士等繪制出首個脊索動物完整胚胎發育單細胞轉錄譜系

2019年7月11日，普林斯頓大學陳凱博士（已于2018年11月加入昆明理工大學靈長類轉化醫學研究院，注1）和Mike Levine院士（hox基因的共同發現者）合作在Nature雜志以長文形式發表了題為Comprehensive single-cell transcriptome lineages of a proto-vertebrate的研究論文。他們所在的研究團隊以玻璃海鞘為模型，繪制了首個涵蓋從三胚層分化到孵化全過程的脊索動物胚胎發育單細胞轉錄圖譜，并成功構建了包括神經系統在內全部組織類型的細胞分化譜系。

在此基礎上，研究團隊能夠有效地探索細胞命運決定過程中的基因調控網絡，并對脊索和神經系統基因調控網絡的細致分析，揭示了脊索在整個脊索動物門進化過程的中間態，并提出脊椎動物特有的端腦（telencephalon）可能的新進化機制。

利用這些高覆蓋率的轉錄組數據，文章的共同第一作者曹晨博士構建了包含幼蟲神經系統近40個亞型的各種主要組織類型的虛擬細胞譜系圖和基因網絡。這些細胞譜系可以追溯回原腸胚初始的110-細胞階段，包括生殖系，未分化的內胚層組織，兩個來源的脊索細胞（來自A譜系的初始脊索和B譜系的次級脊索），不同起源的肌肉譜系，在神經胚就開始命運決定的9類間充質細胞，以及由A譜系和a/b譜系構成的復雜神經系統。

海鞘（Ciona intestinalis）

作為無脊椎往脊椎過渡的進化節點動物，海鞘在了解脊索/脊椎動物新細胞類型的進化上有著重要的研究意義，包括脊索和各種新型神經細胞類型。通過對A和B譜系脊索細胞分化的轉錄譜分析，研究團隊發現B譜系的脊索在原腸胚階段表達一些肌肉發育的轉錄因子（Tbx6a/b/c/d），隨后表達許多肌肉相關的功能基因。進一步的報告基因驗證發現有著Tbx6結合序列的Casq1/2和C9.405增強子能特異地讓熒光蛋白在肌肉和次級脊索中表達。這些證據充分證明了海鞘的脊索在進化上介于以文昌魚為代表的頭索動物和脊椎動物之間，即A譜系的脊索具有脊椎動物的特征，而B譜系脊索有類似文昌魚脊索的部分肌肉功能。

端腦是公認的脊椎動物的主要進化創新，為之后高等脊椎動物大腦皮層的進化提供基礎。目前被廣泛接受的假說是原始前腦的分區，形成間腦和端腦。通過對構建的玻璃海鞘所有前腦和相關細胞譜系的調控基因分析，研究團隊發現主要的端腦發育轉錄因子在玻璃海鞘都有表達，但分別在兩個結構上完全不同的區域。其中Six3/6, FoxJ1, Lhx2/9和Otp在前腦最前側表達，而FoxG, Dlx和SP8則在神經基板來源的感受細胞表達。基于這些結果，研究團隊提出端腦有可能是前腦在神經管閉合過程中進一步往末端延伸，將神經基板的調控網絡整合形成。為了驗證這一個假說，為了驗證這一個假說，來自Stowers Institute的王偉博士加入這項研究，通過將連接著海鞘FoxG增強子的報告基因注射到非洲鳉魚（N. furzeri）受精卵中（注2），利用非洲鳉魚性成熟極快的特點快速建立了穩定的轉基因系，他驚喜地發現這個在神經基板里特異表達的熒光蛋白在鳉魚幼蟲的端腦最末端表達。這一發現和提出的前腦和神經基板基因網絡整合的假說相一致，為脊椎動物端腦的起源和進化提供了重要分子證據。

海鞘生命之河

研究背景

解析細胞命運決定過程的轉錄動態是發育生物學的核心問題之一。然而在以調控發育（regulatory development）為主的多數動物模型中，細胞種類的多樣性和發育過程的復雜性讓這一問題很難在體內有效回答。與之相反，包括線蟲和海鞘在內的鑲嵌發育（mosaic development）動物因胚胎發育個體差異極小，細胞譜系清楚，非常適合研究細胞命運決定過程中的轉錄調控。尤其是海鞘，作為脊椎動物的近親，在探索脊索動物細胞命運決定保守機制和進化發育上有著極其重要的地位。