单细胞代谢组专题 | 单细胞代谢实现卵细胞胚胎发育过程异质性研究

迈维代谢

2023.4.12

迈博士有话说

本研究通过单细胞代谢质谱技术检测了16细胞胚胎中小分子代谢产物的表达情况，并研究了这些代谢产物对于细胞命运的影响。这可能有助于我们更好地理解胚胎发育的机制，并为未来的干细胞治疗提供更多有用的信息。

研究背景

分子表达的时空变化对胚胎发育至关重要，其特征对于理解细胞获得不同表型的机制至关重要。虽然技术的进步使得可以量化胚胎发生过程中大分子的表达，但在发育中的系统中，并非所有转录物都被翻译成蛋白质，也并非所有蛋白质都是活性的；因此，分析单个细胞内的mRNA和蛋白质可能无法揭示细胞的活性状态。而代谢物是细胞生理活动的最终指标，目前关于代谢物的信息很少。

这个研究使用单细胞代谢质谱技术对蛙卵细胞进行了代谢组分析，并进一步证明，基因组的差异表达在发育的早期阶段转化为胚胎细胞中的小代谢物域。从南非爪蟾的16细胞胚胎中解剖出三种不同类型的卵裂球，并对其代谢组进行微萃取，在所有卵裂球中检测到80多种不同的分子特征，鉴定出40种内源性小分子，这些代谢物锚定了相互关联的中枢代谢网络。相对定量显示，在野生型未受干扰的胚胎中，几种代谢物在细胞类型之间具有差异活性。改变影响背部发育的受精后细胞质运动证实，这三个细胞在卵裂阶段已经具有特征性的小分子活性，这是细胞类型的结果，而不是色素沉着、卵黄含量、细胞大小或胚胎中位置的差异。改变代谢物浓度导致原肠胚形成时细胞运动的变化，这也改变了这些细胞的组织命运，表明代谢物组影响胚胎中的细胞表型。

研究思路

研究结果

1. 发现不同类型卵裂球小分子代谢物存在差异

从不同胚胎的左侧或右侧随机分离D₁₁、V₁₁和V₂₁卵裂球，每种类型手动解剖出n=5个卵裂球（生物复制），即总共获得15个来自15个不同胚胎的单个卵裂球。在所有卵裂球中检测到80多种不同的分子特征，通过多管齐下的方法，这些分子特征被分配给总共40个不同的内源性小分子，包括几乎所有必需和非必需氨基酸、渗透压和经典神经递质。这些代谢物是构成中枢代谢网络的基础，∼90%的已鉴定小分子是哺乳动物系统中主要代谢途径的相关成员。一些小分子在路径中共享，在网络中创建节点。

2. 验证差异产生的原因

暴露于紫外线和正常的胚胎对比，证明了D11、V11和V21细胞之间小分子活性的差异是由于细胞类型，而不是它们的大小、位置或色素沉着程度。

进行多变量分析以比较单个卵裂球之间的小分子产量。在生成的树状图中，样品形成了三个主要组，该组对应于细胞类型（上轴）和小分子组成（左轴）的差异。且提供的数据首次证明，在早期胚胎中，单个细胞的小分子细胞组成是异质的；D₁₁、V₁₁和V₂₁卵裂球培养不同的代谢组，这些差异对于不同亲本来源的多个胚胎是可重复的（n=5）。而所有检测到的分子特征的统计显著性(P值)和生物学显著性(fold change)之间的相关性表明，胚胎的动物-植物-背侧-腹侧区域的卵裂球代谢活性存在显著差异。

对暴露于紫外线下腹化的胚胎进行了类似的分析。结果显示，未处理胚胎的D₁₁/V₁₁和D₁₁/V₂₁卵裂球类型之间的差异代谢活性因紫外线腹化胚胎中的大多数代谢物而丢失。表明16细胞胚胎中的小分子细胞异质性是由卵裂球类型驱动的，而不是细胞的位置、大小或色素沉着。

3. 探究差异是否具有发育意义

添加某些代谢产物可以促进细胞分化，而删除其他代谢产物则会抑制细胞分化，代谢组影响胚胎中的细胞表型。

通过显微注射代谢物标准品并追踪100多个不同非洲爪蟾胚胎的细胞谱系，测试了代谢物子集对其组织命运的影响。亮场和荧光显微镜显示，与仅注射谱系示踪剂的对照胚胎相比，对于在所有主要器官都已形成的幼体阶段固定的胚胎，来自_mV11D₁₁卵裂球的细胞对大脑和中央体节的贡献显著减少，对腹侧干表皮的贡献显著增加。来自_mD11V₁₁的细胞对包括骨水泥腺、嗅板、晶状体、视网膜和耳囊在内的头部前部结构的贡献显著更大。这些结果表明，即使是少数发现的卵裂球特有代谢物的差异分布，也会改变后代细胞在胚胎中的分布方式，最终影响其组织命运。

小结

这项工作解决了细胞和发育生物学中的一个瓶颈，即使用质谱测量单个胚胎细胞中的小分子活性。单细胞代谢质谱可以捕捉非洲爪蟾16细胞胚胎早期分裂阶段单个细胞中小分子活性的检测。D₁₁、V₁₁和V₂₁卵裂球表现出特征性小分子活性，可重复地作用于成年生物体中神经元、表皮和后肠组织。

单胚胎细胞和胚胎身体不同区域之间的这些小分子差异，迄今为止还无法通过经典的细胞平均测量在技术上辨别出来。单细胞质谱预示着细胞和发育生物学的新研究可能性。为此，微操作带来了很大的好处，可以使单细胞MS适应更广泛的应用。通过微毛细管对单个细胞进行直接采样，提供了一种有吸引力的方法，可以使用本文介绍的技术提高胚胎中单个细胞的吞吐量和测量精度。

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