成年斑马鱼头部的共聚焦显微镜图像，红色的神经嵴衍生细胞。Crump 实验室使用单细胞测序来了解这些细胞如何构建和修复头部骨骼，这对了解人类颅面先天缺陷和改善骨骼组织的修复具有重要意义。图片来源：Hun-Jhen Chen/Crump Lab
颅神经嵴细胞或 CNCC 对身体部位的贡献比它们不起眼的名字所暗示的要多得多。这些非凡的干细胞不仅构成了从鱼类到人类的所有脊椎动物的大部分头骨和面部骨骼，而且还可以生成从鳃到角膜的所有东西。为了了解这种多功能性，Gage Crump 实验室的科学家们随着时间的推移创建了一系列图谱，以了解 CNCC 致力于在斑马鱼发育过程中形成特定组织的分子决策。他们的研究结果发表在Nature Communications上，可能为正常的头部发育以及颅面出生缺陷提供新的见解。
“长期以来，CNCC 能够产生令人难以置信的细胞类型多样性，从而使生物学家着迷。通过在遗传易处理的斑马鱼中研究这一过程，我们已经确定了许多潜在的开关，这些开关允许 CNCC 形成这些非常不同的细胞类型，”南加州大学凯克医学院干细胞生物学和再生医学教授 Gage Crump 说.
在博士后 Peter Fabian 和博士生 Kuo-Chang Tseng、Mathi Thiruppathy 和 Claire Arata 的带领下，科学家团队用红色荧光蛋白永久标记 CNCC，以跟踪斑马鱼整个生命周期中来自 CNCC 的细胞类型。然后，他们使用一种称为“单细胞基因组学”的强大方法来识别完整的活性基因集和数十万个单独的 CNCC中的DNA组织。产生的大量数据要求科学家们开发一种新的计算工具来理解它。
“我们创建了一种我们称之为‘星座’的计算分析，因为该技术的最终视觉输出让人想起天空中的星座，”Fabian 说。“与占星术相比，我们的星座算法确实可以预测细胞的未来，并揭示可能控制其发育的关键基因。”
通过这种新的生物信息学方法，该团队发现 CNCC 并没有从制造大量细胞类型所需的所有信息开始。相反，只有在它们分散在整个胚胎中之后，CNCC 才会开始重组它们的遗传物质，为成为特定组织做准备。星座准确地识别出指向 CNCC 的这些特定命运的遗传迹象。现实生活中的实验证实，Constellations 正确地指出了“FOX”基因家族在面部软骨形成中的作用，以及“GATA”基因在形成允许鱼类呼吸的鳃呼吸细胞类型中的先前未被认可的功能。
“通过对脊椎动物细胞群进行迄今为止最全面的单细胞研究之一，我们不仅获得了对脊椎动物头部发育的重要见解，而且还创造了一种广泛有用的计算工具，用于研究器官的发育和再生整个身体的系统，”克伦普说。
参考：
“斑马鱼颅神经嵴多样化的终身单细胞分析”，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，自然通讯。
DOI：10.1038/s41467-021-27594-w
Crump 实验室的其他合著者包括博士生 Hung-Jhen Chen、博士后 Joanna Smeeton 和研究技术员 Nellie Nelson。Smeeton 现在是哥伦比亚大学的助理教授，Nelson 是加州大学欧文分校的博士生。
该研究由美国国立卫生研究院联邦资助（赠款 NIDCR R35 DE027550、NIDCR K99 DE029858、NIDCR F31 DE029682-02、NICHD T32 HD060549）。