昆明理工大学陈凯教授：单细胞测序技术是转录水平的显微镜

发表时间：2022-05-16 14:13

《时空对话》第2期

昆明理工大学灵长类转化医学研究院陈凯教授


一直以来，生物的进化发育都是人们极为关注热点之一，对生物进化发育的研究，解开了许多生命起源及物种进化的谜题。


单细胞技术的问世，使研究人员能够从单个细胞水平以更高分辨率系统地研究复杂的生物学过程，揭示细胞间的差异及其在微环境中的功能情况，更好地解码生命。得益于单细胞技术，人们对生物进化的认知更是从组织分辨率水平提高到了细胞分辨率水平。


那么，单细胞技术在生物进化发育研究中扮演着何种角色？又是如何赋能发育生物学研究？近日，《时空对话》栏目有幸邀请到昆明理工大学灵长类转化医学研究院陈凯教授为我们分享绘制脊索动物胚胎发育全过程单细胞转录图谱的心路历程以及单细胞技术在生物进化发育研究中的应用。

陈凯

昆明理工大学教授 博导

省部共建非人灵长类国家重点实验室研究员

国家高层次引进青年人才


陈凯教授长期从事单细胞方法学开发和早期胚胎发育的转录调控研究，发现合子基因组启动过程中核心启动子的差异性使用，揭示神经脊、端脑等结构在脊索动物的进化来源，以通讯或第一作者在 Nature，Genes & Development，elife等杂志上发表多篇研究论文。


01

您为何会从事发育生物学这个研究方向？可否分享一下研究中的趣事或印象深刻的经历？

陈凯教授：其实我从小就对这方面很感兴趣，小时候会试着用稚嫩的想法去“自圆其说”地解释人的头上为什么会长头发，男生为什么会长胡子诸如此类的事情。到了大学，结合自身的兴趣以及父母的希冀，就选择了深耕生物学领域。


从研究生至今，我更愿意用“乐在其中”去形容整个研究阶段。之所以“乐”，一方面，我们实验室伙伴工作十分认真、纯粹，同时也充满了逗乐的氛围；第二方面，在我看来，科研的过程就像是寻宝，作为科研工作者，我们拥有了比其他人更快窥探到大自然奥秘的先机，也能够感受到科研当中独特的乐趣。


以我们所做的脊索动物的全面单细胞转录细胞谱系相关工作为例，在我们过往的认知中，端脑是脊椎动物独有的特征，因此，在简单的脊索动物层面对端脑结构进行研究，其实是进化发育认知领域的一个很大的挑战。


我们通过单细胞分析所得数据提出了一个假设：两个简单调控网络在进化过程中发生了简并，神经基板与前脑相互交集的部分，最终演变成脊椎动物的端脑结构。在不断的研究当中，我们最终成功揭示了端脑的进化来源，绘制了首个涵盖从三胚层分化到孵化全过程的脊索动物胚胎发育单细胞转录图谱。


尽管在研究过程中，我们会不断地面对沮丧，途中也只有星星点点的愉悦感，但最后成功的感觉就像在大海航行数月甚至数年最终找到了宝藏那般愉悦。于我而言，科研有着非常独特的魅力，几乎没有其他工作能给我带来这种难能可贵的快乐与满足的感觉。

02

目前您和您的团队在脊索动物胚胎发育调控网络和灵长类干细胞神经分化中转录调控机理的研究中所取得的成就或进展有哪些？

陈凯教授：我们实验室是我在18年底回国后才成立的，因此目前还处于积累的阶段。实验室长期的目标是希望做脊索动物胚胎发育调控网络和灵长类干细胞神经分化中转录调控机理方面的研究。


目前，实验室致力于方法创新，包括单细胞多组学方法等。结合目前所面临的一些瓶颈，现阶段，我们实验室主要专注于开发在一个样品中进行多个蛋白检测的方法——VACT-SEQ。基于pAG-Tn5的CUT&Tag原理，我们用针对mouse和rabbit的IgG分别做了特异的纳米抗体Tn5融合蛋白，并根据barcode同时识别兔抗的及鼠抗的信号。

在此过程中，我们发现来自于鼠抗的信号和来自于兔抗的信号是互不干扰的。这有三大方面的优势：

第一，我们能够实现对珍贵样品进行多个蛋白的检测，了解在基因组水平上的分布；
第二，对于系统相对不稳定的组蛋白修饰或转录因子的CUT&Tag，这将会是一个非常好的内参；
第三，单纯的抗鼠Tn5和抗兔Tn5比常规的pAG-Tn5的特异性与亲和性更好。


基于此，我们未来的目标是希望利用该创新技术去比较不同灵长类在神经分化过程中其编码和非编码区调控序列的进化。


总的来说，目前我们着力点主要在于技术的创新、开发，以解决不同方面的问题。相信在未来，我们将会有更多科学研究成果与大家分享。

03

您与团队成员成功绘制了首个涵盖从三胚层分化到孵化全过程的脊索动物胚胎发育单细胞转录图谱，您认为这对早期胚胎发育的转录调控研究的发展有何积极意义？

陈凯教授：实际上，与正常脊椎动物甚至无脊椎动物相比，脊索动物的细胞数目相对较少，层层发育到最终阶段大约只有三千个细胞，使得我们能够对其进行全覆盖研究。因此，该图谱与其他物种的单细胞图谱相比，最大的优势在于“全”，覆盖了整个发育阶段的所有细胞。


在积极意义方面，首先，海鞘是从无脊椎动物进化成脊索动物的，因此存在着非常多重要的进化节点。所以，这个图谱对于我们理解脊椎动物中部分细胞是如何进化而成，有着重要的参考意义。


其次，完整谱系有助于我们寻找且发现特定细胞是否存在于无脊椎动物中，在一定程度上给谱系分化转录调控的研究提供了参考。


最后，对于保守通路或保守谱系的分化，该图谱也有着一定的借鉴意义，能够帮助我们理解保守细胞的类型以及分子调控机制。

04

请您谈一谈单细胞组学技术在动物进化发育中的应用。

陈凯教授：过往，在动物进化发育领域，由于实验对象复杂性的问题，我们主要针对模式动物进行研究。而现阶段，模式动物（post model system）研究时代已经过去，泛模式动物时代正式来临。


进入泛模式动物时代，我们可以把在动物分类上或进化上不同节点的动物进行研究，去回答过往无法解决的问题。在泛模式动物时代，我们主要得益于两个技术：


第一，二代测序技术（NGS），NGS的快速发展使得我们可以非常方便地以可接受的成本对任何一个物种的基因组进行检测；


第二，CRISPR技术， 基于该技术，我们能够很容易针对性地敲除非传统模式动物的特定基因，甚至引入我们想要的各种突变，将研究范式从顺式遗传学转变为反式遗传学。


而单细胞组学技术则能够极大地助力我们在细胞和组织层面上的研究，再与其他功能基因组方法结合，我们能够开始对基因组功能的进化进行解码，从而更细致地完成进化发育研究。举例来说，过往我们要了解更详细的基因表达信息，需要进行很多的qPCR和原位杂交，但如今，得益于单细胞技术，我们可以直接进行单细胞测序，实现更快速、更全面地了解更多信息。


总的来说，进入泛模式生物研究时代，需要基于CRISPR以及基因组测序这两个技术。在此基础上，单细胞转录组学则是另一个层面的利器，能够帮助实现以非常高的通量在功能层面理解进化发育的问题。

05

单细胞组学技术应用于发育生物学或其他领域面临着什么样的挑战？

陈凯教授：单细胞组学技术的应用主要面临着以下几方面的挑战：


第一，如何更有效地去进行数据挖掘。
单细胞转录组所产生的数据量是远高于正常转录组的，相比正常转录组，它增加了另一个维度的数据量。因此，在这个层面上，我们需要更有效的数据分析。


第二，如何降低技术成本。
目前，做单细胞转录组学相关的研究成本非常高，并不是所有的实验室都能够负担得起。因此，如何能够降低技术成本，使其成为科研利器去解决更多科研问题也是一个非常大的挑战。


第三，如何能够提高单细胞转录组学的效率。
单细胞转录组学方法能够一次性产生大量数据，那么，在一次实验中得到更多有效数据就尤为重要。当我们在做单细胞转录组实验的时候，会检测到很多没用的无差异基因。因此，针对性地做靶向测序，提高检测效果就是我们要努力的方向之一。


第四，如何同时兼顾检测深度和通量，也是面临的挑战之一。

06

单细胞测序技术在胚胎发育和生物进化的研究过程中扮演着何种角色？您认为单细胞测序技术未来有何发展趋势？

陈凯教授：单细胞测序技术在胚胎发育和生物进化的研究过程中扮演的角色像是转录水平的显微镜，能够帮助我们把对于转录组的认知从原来的组织水平分辨率提高到细胞水平分辨率，提高了我们对于转录组的认知。

与上述挑战相呼应，在未来，单细胞转录组技术将能够兼顾通量及深度，同时也更经济化。

07

您如何看待时空组学技术？时空组学技术会否有助于研究胚胎发育或动物进化？您是否有开展这方面研究的计划？

陈凯教授：除了进化发育领域，临床也是时空组学技术极其重要的潜在应用场景。时空组学技术很可能是一个变革性的新工具，能够极大地丰富临床病理以及临床检测。

另外，时空组学技术的优势在于高通量，能够检测到很多过往我们无法检测的东西。在进化发育学领域，时空组学技术在一定程度上有助于我们去理解发育生物学领域的研究。

目前，我与生物岛的彭广敦研究员正在做一些空间组学的方法开发，我非常期待看到时空组学技术的后续应用。

关于《时空对话》栏目


单细胞测序网、时空组学网联合开展“时空对话”栏目。拟邀请100位单细胞测序领域的全球顶尖科学家、企业家、学者、投资人、青年研究员、博士等围绕着单细胞测序的最新研究、技术进展、临床应用等多方面进行访谈，传递价值观念、深度见解，为行业发展提供方向。

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