香港大学(HKU)生物科学学院郑超谷博士带领的研究团队，对一种名为秀丽隐杆线虫(C.elegans)的小动物不同类型细胞的进化年龄有了重大发现.通过使用单细胞转录组数据和精细的系统地层学，该团队确定了单个细胞的转录组年龄，这意味着他们能够根据细胞中表达的基因的年龄来估计不同细胞的进化起源。

他们的发现揭示了动物发育“沙漏”模式的细胞基础，揭示了不同细胞类型的转录组年龄的显着差异。这些结果还提供了对不同细胞和组织对适应的不同贡献以及细胞类型之间的进化关系的见解。这些发现为推动物种进化的遗传机制提供了新的视角，并已发表在PNAS上。

分子研究对沙漏模型的启示

所有动物的胚胎在胚胎发育的中期具有相似的形态，而在胚胎发育的早期和晚期具有较大的形态差异。这种模式通常被称为“沙漏”发育模式，这意味着所有动物的发育在胚胎发生中期都会经历一个进化上的保守阶段。

最近的分子研究表明，胚胎发生中期的胚胎表达最古老的转录组，这意味着在基因表达过程中，最古老和最保守的基因被用在这个阶段。相反，较年轻的基因在胚胎发育的早期和晚期表达。

这是通过使用一种称为系统地层学的技术分析不同发育阶段胚胎的基因表达而发现的，这种方法用于通过比较不同物种的基因序列来确定基因年龄。

然而，这些研究的局限性在于它们只能确定整个生物体在整个发育过程中的转录组年龄，而不能确定单个细胞或组织的转录组年龄。这种限制很重要，因为获取有关特定细胞和组织中表达的基因年龄的信息对于更详细地了解物种间发育模式的演变以及驱动它的遗传机制至关重要。

此外，它还可以阐明个体组织和细胞如何促成“沙漏”模式，这是了解不同器官和组织如何促成动物整体发育过程的进化和适应的一个重要方面。

从全生物体到单细胞分析

为了填补这一知识空白，研究小组使用RNA测序在单细胞水平上研究了线虫秀丽隐杆线虫的转录组年龄。他们观察整个胚胎(或有机体)和单个细胞的RNA表达，以全面了解胚胎和幼虫发育过程中不同基因的使用方式。

该团队首先确定了秀丽隐杆线虫胚胎发生中期最古老的转录组时期，该时期在原肠胚形成后开始，原肠胚形成是一个在胚胎中形成不同胚层并持续到器官早期发育的过程。更重要的是，研究小组发现，在早期胚胎中，某些细胞使用的基因比其他细胞更老。

例如，后来成为种系(负责将遗传信息传递给后代)的细胞使用比体内体细胞组织更古老的基因。同样，在早期发育过程中，与其他细胞类型相比，后来成为内胚层(产生消化道)的细胞使用更老的基因。在分化的细胞中，肌肉似乎比其他细胞类型具有最古老的转录组。

还观察到，细胞和组织类型之间转录组年龄的变化在早期胚胎阶段仍然很小，并且随着细胞分化在晚期胚胎和幼虫阶段变得更大。沿着谱系追踪转录组年龄的动态，可以识别某些组织，例如皮肤，这些组织有助于晚期胚胎转录组年龄的增加。

对秀丽隐杆线虫神经系统中128种不同类型神经元的转录组年龄变化的进一步分析表明，一组特定的化学感觉神经元及其下游中间神经元表达非常年轻的转录组，这可能有助于适应最近的进化，因为许多新进化的年轻基因与感知环境因素有关。

最后，通过分析不同神经元类型之间转录组年龄的变化，以及调节它们发育的基因(命运调节因子)的年龄，研究小组能够假设这128种神经元类型中的一些神经元的进化历史.

“以秀丽隐杆线虫为例，我们展示了单细胞水平的转录组年龄如何能够深入了解发育创新的细胞基础，并帮助理解细胞类型的功能多样性和进化起源，”马富强博士说。，香港大学生物科学学院博士后研究员，该论文的第一作者。

该研究项目负责人郑博士说：“这项研究是利用前沿的单细胞转录组学研究进化生物学中的老问题的一个例子。”郑博士设想，在转录组水平上确定单个细胞类型的进化年龄的可能性可以开辟新的研究方向，并促进我们对驱动物种进化的遗传机制的理解。