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生命科学
Lifescience
作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。
年第三十期（总第67期）专栏文章，由中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）副研究员郝丽丽，就Cell中的论文发表述评。
细胞是生命的基本单位。在多细胞生物中，不同细胞具有差异的基因表达模式，从而产生称之为细胞类型的个体细胞特征。破译基因型如何被解码为多细胞表型对于了解个体发育、结构和功能至关重要。为实现这一目标，需整合完整生物体所有细胞的遗传和表型信息，建立基因表达谱和细胞形态之间的关联。目前，体电子显微镜（EM）技术在了解生物超微结构细节方面应用广泛，空间单细胞组学技术将基因表达谱研究推向了新的阶段。然而，空间转录组学研究不能充分保存样品以进行EM超微结构分析，单细胞测序虽然能够对任何生物体进行细胞类型分类，但代价是丢失了解剖信息，基因表达和细胞超微结构的整合仍然是一个巨大挑战，目前尚未实现在完整生物体中将两者整合到多模式细胞图谱中。
针对上述问题，近日来自于欧洲分子生物学实验室(EMBL)的DetlevArendt教授等人，建立一种全新研究框架，以海洋环节动物沙蚕（Platynereisdumerilii）为模式生物，基于非物种特异的技术，生成完整动物体内所有细胞转录和形态信息的整合图谱。作者通过串行块面扫描电镜（SBEM）获得沙蚕分化幼虫完整身体的超微结构，并基于一种自主开发的半自动多尺度方法获得完整个体的所有分割细胞，之后将扩展的基因表达图谱映射至分割细胞中，从而获得细胞精度的转录和形态信息的整合。该文章于8月10日发表于CellPress的旗舰期刊Cell上。
作者首先通过SBEM以10nm像素(x/y)和25nm截面厚度(z)收集完整沙蚕分化幼虫（受精后6天）的电镜图像集。自动图像采集过程耗时七周，生成11,个平面图像，具有,个切片，数据集总大小2.5TB。基于该数据集能够对生物体整体解剖结构和精细超微结构细节进行详细分析（图1），从而实现不同器官和细胞类型亚细胞特征的可视化。
▲图1通过串行块面扫描电镜（SBEM）观察沙蚕完整身体超微结构
获得完整标本的超微结构后，作者基于优化的半自动分割算法分割体内每个细胞以及亚细胞结构，最终产生11,个带有细胞核的细胞（图2）。作者定义并测量所有分割细胞和细胞核（segmentedcellandnuclei）的个形态学描述符（包括分割对象的大小、形状、强度、纹理以及细胞核内染色质分布等特征），以定量描述和比较所有细胞的形态及空间位置。
▲图2分割细胞和细胞核的三维渲染图像
以分割细胞形态量化描述为基础，基于图聚类方法，作者对沙蚕分化幼虫完整个体的1万多个细胞进行聚类，并利用UMAP进行可视化（图3）。结果显示神经组织、肌肉组织、表皮和中肠等组织在形态上皆具有可辨识度。而且，基于形态学对神经元进一步细分，作者发现一个大脑神经元簇，其染色质纹理和强度与所有其他簇都不同，暗示基因调控状态的差异，表明基因调控状态和染色质形态之间存在密切联系。
▲图3分割细胞的形态学聚类
沙蚕的发育和分化具有刻板模式，其分化幼虫（differentiatedlarvae）和年轻成虫（youngworms）的细胞组成彼此相似。该特性使基于图像配准（imageregistration）和信号概率映射剖析（ProfilingbySignalProbabilitymapping）方法生成沙蚕完整个体细胞水平的基因表达图谱具备可行性。为获得沙蚕分化幼虫所有细胞的综合表达信息，作者扩展其先前已建立的单细胞水平表达图谱，获得新的ProSPr基因表达图谱（ProSPratlas）。ProSPratlas包含个基因（包括78个转录因子、56个神经效应基因和53个分化基因）和4种EdU增殖染色的信息，可作为跨完整生物体表达谱的代表。由于个体间细胞位置的典型差异小于一个细胞直径（4.7μm），作者推断可以在接近细胞分辨率水平下进行SBEM数据集与ProSPr图谱的集成，并将基于基因表达的遗传聚类簇映射到三维电镜容积（EMvolume）中，以解析差异表达和细胞形态之间的相互关联。结果发现属于同一遗传簇（geneticcluster）的细胞占据生物体中空间连贯的区域，具有清晰的遗传和组织边界对应关系（图4）。
▲图4基于基因表达与细胞形态所定义组织之间的相关性
为更详细地分析沙蚕分化幼虫的基因表达如何与组织边界相关，作者后续专注分析头部细胞，发现沙蚕头部可被细分为基于特异转录因子组合表达所定义的区域，称为转录域（transcriptionaldomain）。转录域与神经节（ganglionicnuclei,GN）的对应关系提示不同转录域具有不同的功能和神经投射（projections）。基于基因表达、空间位置、神经元形态和投射信息，作者界定了沙蚕分化幼虫大脑的感觉和中央神经节，并发现17%的蘑菇体（mushroombodies）细胞与双极感觉神经元相似，表明沙蚕分化幼虫大脑蘑菇体已具备感觉特性。
除上述发现，同样值得