单细胞转录组测序，揭示动物发育过程“古老”和“年轻”基因的表达模式

世界上的动物虽然多种多样，但大多数动物在胚胎发育的中期阶段，都具有相似的外部形态和内部结构。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。近来，一些研究在分子水平上证实了这一模型，即在此阶段，大多数动物都表达最古老、最保守的基因，而在胚胎的早期和晚期所表达的基因则多样而复杂，在进化上属于更年轻的基因，对应在形态和结构上，不同物种或组织之间，也表达出较大的差异化。

转录组年龄指数（Transcriptome age index，TAI）是一种将系统基因分层技术（phylostratigraphy）和发育阶段特异性表达谱相结合以计算转录组进化年龄的测量方法，可用于确定在不同发育阶段所表达的基因是古老还是年轻，能够从进化的角度帮助科学家理解动物的发育。Phylostratigraphy的核心思想是，不同物种的基因可以按照它们在进化历史上首次出现的时期或时代来划分成不同的层级，结合转录组数据，如果测得较高的 TAI，就表示较年轻的转录组。

然而，以往的研究主要将TAI应用于整个生物体或组织/器官的转录组。这种局限使得科学家无法获得特定细胞和组织在发育过程中的基因年龄变化信息，也就无法更加深入地了解物种间发育模式的演变以及驱动它的遗传机制。比如，不同的组织和细胞对于整体TAI的贡献是否相同，如果存在差异，又是哪些组织主导了胚胎整体TAI的上升和下降。另外，如果表达年轻转录组的细胞进化时间晚于表达古老转录转录组的细胞这一假设成立，那么单细胞TAI还能帮助理解新的细胞类型是如何随着基因组的进化而涌现的。

为了填补这一空白，香港大学生物科学学院郑超固博士领导研究团队对模式生物秀丽隐杆线虫（C. elegans）进行了单细胞的进化年龄测算。秀丽隐杆线虫由于其解剖结构简单、生命周期短暂、基因组信息完整，在神经科学、发育生物学、基因组学、药物筛选等方面常作为研究工具而被广泛使用。

这一研究揭示了不同细胞类型在转录组年龄上的显著差异，有助于对不同细胞的进化起源进行估计，为理解驱动物种进化的遗传机制提供了新的视角，研究成果以“Transcriptome age of individual cell types in Caenorhabditis elegans”为题于2月22日发表于PNAS。

图1 研究成果（图源：[1]）

研究人员根据在系统发育中的不同位置，将19997个秀丽隐杆线虫的蛋白质编码基因分为了12个系统层（phylostrata，PS）。其中大约三分之一（6913）的基因被归为最古老的PS1-2，是两侧对称生物中的保守基因；另外三分之一（5384）被归为PS3-6，是线虫特异性基因；最后三分之一（6511）来自于秀丽隐杆线虫及其密切相关的姊妹种。可以看出，不同系统层表现出不同类型的基因富集，如PS1-2富含蛋白激酶基因，而最年轻的PS10-12富含编码G蛋白偶联受体（GPCR）、F-box蛋白（FBP）、核激素受体（NHRs）等的基因。

研究人员在个体水平（整个胚胎）及单细胞水平进行了转录组的测序。研究人员观察到，在TAI指数上，秀丽隐杆线虫表现出经典的“沙漏”模式，TAI最低的时间大致对应于胚胎形成不同胚层（即原肠胚形成）后到器官早期发育阶段。研究人员还发现，在早期胚胎中，后来将发育成生殖细胞系（germline，负责将遗传信息传递给后代）的细胞，相比于体细胞组织，所表达的基因更为古老。在早期发育过程中，与其他细胞类型相比，后来成为内胚层（最终主要发育为消化道）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，在早期胚胎阶段，不同细胞和组织类型的转录组年龄差异很小，但随着细胞分化，这种差异逐渐增大。通过追踪转录组年龄在细胞系谱中的变化，可以发现一些组织，如皮肤，对于晚期胚胎阶段转录组年龄年轻化有较大贡献。

通过对线虫神经系统中128种不同类型神经元转录组年龄的差异进行进一步的分析，研究人员发现一组特定的化学感受神经元和其下游中间神经元表达相对年轻的转录组，因为许多新进化出来的年轻基因都与感知环境因素相关，这可能有助于线虫更好地适应环境。最后，通过分析不同神经元类型转录组年龄的差异以及调节它们发育的基因（命运调控因子）的年龄，研究团队对这128种神经元类型的进化史进行了推测。

该研究的第一作者、香港大学生命科学学院的博士后研究员麻富强表示：“以线虫为例，我们展示了单细胞转录组年龄如何提供对发育创新的细胞基础的洞见，这将帮助我们理解细胞类型的功能多样性和进化起源。”

郑超固教授强调：“这项研究是使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。”郑教授预计，通过转录组水平上确定单个细胞类型的进化年龄，可开展新的研究方向，推动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