世界上的动物固然多种多样，但年夜大都动物在胚胎发育的中期阶段，都具有类似的外部形态和内部布局。这一阶段被认为是系统发育阶段，也被称为胚胎发育的“沙漏”模式。最近，一些研究在份子程度上证实了这一模子，即在此阶段，年夜大都动物都表达最古老、最守旧的基因，而在胚胎的初期和晚期所表达的基因则多样而复杂，在进化上属在更年青的基因，对应在形态和布局上，分歧物种或组织之间，也表达出较年夜的差别化。

转录组春秋指数（Transcriptome age index，TAI）是一种将系统基因分层手艺（phylostratigraphy）和发育阶段特异性表达谱相连系以计较转录组进化春秋的丈量方式，可用在肯定在分歧发育阶段所表达的基因是古老仍是年青，可以或许从进化的角度帮忙科学家理解动物的发育。Phylostratigraphy的焦点思惟是，分歧物种的基因可以依照它们在进化汗青上初次呈现的期间或时期来划分成分歧的层级，连系转录组数据，假如测得较高的 TAI，就暗示较年青的转录组。

但是，以往的研究首要将TAI利用在全部生物体或组织/器官的转录组。这类局限使得科学家没法取得特定细胞和组织在发育进程中的基因春秋转变信息，也就没法加倍深切地领会物种间发育模式的演化和驱动它的遗传机制。好比，分歧的组织和细胞对整体TAI的进献是不是不异，假如存在差别，又是哪些组织主导了胚胎整体TAI的上升和降落。别的，假如表达年青转录组的细胞进化时候晚在表达古老转录转录组的细胞这一假定成立，那末单细胞TAI还能帮忙理解新的细胞类型是若何跟着基因组的进化而出现的。

为了弥补这一空白，中国香港年夜学生物科学学院郑超固博士带领研究团队对模式生物娟秀隐杆线虫（C. elegans）进行了单细胞的进化春秋测算。娟秀隐杆线虫因为其剖解布局简单、生命周期短暂、基因组信息完全，在神经科学、发育生物学、基因组学、药物挑选等方面常作为研究东西而被普遍利用。

这一研究揭露了分歧细胞类型在转录组春秋上的显著差别，有助在对分歧细胞的进化发源进行估量，为理解驱动物种进化的遗传机制供给了新的视角，研究功效以“Transcriptome age of individual cell types in Caenorhabditis elegans”为题在2月22日颁发在PNAS。

图1 研究功效（图源：[1]）

研究人员按照在系统发育中的分歧位置，将19997个娟秀隐杆线虫的卵白质编码基因分为了12个系统层（phylostrata，PS）。此中年夜约三分之一（6913）的基因被归为最古老的PS1-2，是两侧对称生物中的守旧基因；别的三分之一（5384）被归为PS3-6，是线虫特异性基因；最后三分之一（6511）来自在娟秀隐杆线虫和其紧密亲密相干的姊妹种。可以看出，分歧系统层表示出分歧类型的基因富集，如PS1-2富含卵白激酶基因，而最年青的PS10-12富含编码G卵白偶联受体（GPCR）、F-box卵白（FBP）、核激素受体（NHRs）等的基因。

研究人员在个别程度（全部胚云开体育app最新版本胎）和单细胞程度进行了转录组的测序。研究人员不雅察到，在TAI指数上，娟秀隐杆线虫表示出经典的“沙漏”模式，TAI最低的时候年夜致对应在胚胎构成分歧胚层（即原肠胚构成）后到器官初期发育阶段。研究人员还发现，在初期胚胎中，后来将发育成生殖细胞系（germline，负责将遗传信息传递给儿女）的细胞，比拟在体细胞组织，所表达的基因更加古老。在初期发育进程中，与其他细胞类型比拟，后来成为内胚层（终究首要发育为消化道）的细胞所表达的基因更古老。在分化的细胞中，肌肉细胞比其他细胞表达的基因更古老。

研究还发现，在初期胚胎阶段，分歧细胞和组织类型的转录组春秋差别很小，但跟着细胞分化，这类差别逐步增年夜。经由过程追踪转录组春秋在细胞系谱中的转变，可以发现一些组织，如皮肤，对晚期胚胎阶段转录组春秋年青化有较年夜进献。

经由过程对线虫神经系统中128种分歧类型神经元转录组春秋的差别进行进一步的阐发，研究人员发现一组特定的化学感触感染神经元和其下流中心神经元表达相对年青的转录组，由于很多新进化出来的年青基因都与感知情况身分相干，这可能有助在线虫更好地顺应情况。最后，经由过程阐发分歧神经元类型转录组春秋的差别和调理它们发育的基因（命运调控因子）的春秋，研究团队对这128种神经元类型的进化史进行了猜测。

该研究的第一作者、中国香港年夜学生命科学学院的博士后研究员麻强盛暗示：“以线虫为例，我们展现了单细胞转录组春秋若何供给对发育立异的细胞根本的洞见，这将帮忙我们理解细胞类型的功能多样性和进化发源。”

郑超固传授强调：“这项研究是利用前沿的单细胞转录组学来研究进化生物学中的老问题的示范。”郑传授估计，经由过程转录组程度上肯定单个细胞类型的进化春秋，可展开新的研究标的目的，鞭策我们对驱动物种进化的遗传机制的理解。

参考资料：

[1]Ma F, Zheng C. Transcriptome age of individual cell types in Caenorhabditis elegans. Proc Natl Acad Sci U S A. 2023 Feb 28;120(9):e2216351120. doi: 10.1073/pnas.2216351120.

[2]https://www.hku.hk/press/c_news_detail_26005.html

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