顱神經嵴細胞：理解頭部發育的最高成就

成年斑馬魚頭部的共聚焦顯微鏡圖像，紅色的神經嵴衍生細胞。Crump 實驗室使用單細胞測序來了解這些細胞如何構建和修復頭部骨骼，這對了解人類顱面先天缺陷和改善骨骼組織的修復具有重要意義。圖片來源：Hun-Jhen Chen/Crump Lab

顱神經嵴細胞或 CNCC 對身體部位的貢獻比它們不起眼的名字所暗示的要多得多。這些非凡的干細胞不僅構成了從魚類到人類的所有脊椎動物的大部分頭骨和面部骨骼，而且還可以生成從鰓到角膜的所有東西。為了了解這種多功能性，Gage Crump 實驗室的科學家們隨著時間的推移創建了一系列圖譜，以了解 CNCC 致力于在斑馬魚發育過程中形成特定組織的分子決策。他們的研究結果發表在Nature Communications上，可能為正常的頭部發育以及顱面出生缺陷提供新的見解。

“長期以來，CNCC 能夠產生令人難以置信的細胞類型多樣性，從而使生物學家著迷。通過在遺傳易處理的斑馬魚中研究這一過程，我們已經確定了許多潛在的開關，這些開關允許 CNCC 形成這些非常不同的細胞類型，”南加州大學凱克醫學院干細胞生物學和再生醫學教授 Gage Crump 說.

在博士后 Peter Fabian 和博士生 Kuo-Chang Tseng、Mathi Thiruppathy 和 Claire Arata 的帶領下，科學家團隊用紅色熒光蛋白永久標記 CNCC，以跟蹤斑馬魚整個生命周期中來自 CNCC 的細胞類型。然后，他們使用一種稱為“單細胞基因組學”的強大方法來識別完整的活性基因集和數十萬個單獨的 CNCC中的DNA組織。產生的大量數據要求科學家們開發一種新的計算工具來理解它。

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“我們創建了一種我們稱之為‘星座’的計算分析，因為該技術的最終視覺輸出讓人想起天空中的星座，”Fabian 說。“與占星術相比，我們的星座算法確實可以預測細胞的未來，并揭示可能控制其發育的關鍵基因。”

通過這種新的生物信息學方法，該團隊發現 CNCC 并沒有從制造大量細胞類型所需的所有信息開始。相反，只有在它們分散在整個胚胎中之后，CNCC 才會開始重組它們的遺傳物質，為成為特定組織做準備。星座準確地識別出指向 CNCC 的這些特定命運的遺傳跡象。現實生活中的實驗證實，Constellations 正確地指出了“FOX”基因家族在面部軟骨形成中的作用，以及“GATA”基因在形成允許魚類呼吸的鰓呼吸細胞類型中的先前未被認可的功能。

“通過對脊椎動物細胞群進行迄今為止最全面的單細胞研究之一，我們不僅獲得了對脊椎動物頭部發育的重要見解，而且還創造了一種廣泛有用的計算工具，用于研究器官的發育和再生整個身體的系統，”克倫普說。

S20雙目體視顯微鏡

參考：

“斑馬魚顱神經嵴多樣化的終身單細胞分析”，作者：Peter Fabian、Kuo-Chang Tseng、Mathi Thiruppathy、Claire Arata、Hung-Jhen Chen、Joanna Smeeton、Nellie Nelson 和 J. Gage Crump，2022 年 1 月 10 日，自然通訊。
DOI：10.1038/s41467-021-27594-w

Crump 實驗室的其他合著者包括博士生 Hung-Jhen Chen、博士后 Joanna Smeeton 和研究技術員 Nellie Nelson。Smeeton 現在是哥倫比亞大學的助理教授，Nelson 是加州大學歐文分校的博士生。

該研究由美國國立衛生研究院聯邦資助（贈款 NIDCR R35 DE027550、NIDCR K99 DE029858、NIDCR F31 DE029682-02、NICHD T32 HD060549）。