C. elegansの細胞発生を勉強すること
C. elegansを使った胚発生中の細胞モードについての洞察。
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目次
胚発生は、受精卵が完全な生物に成長する過程だよ。このプロセスは複雑で、多くの細胞が協力して生物を形作り、各細胞がその役割を見つけるのを助けるんだ。発生がどう起こるかに関する二つの主な考え方があって、モザイク型と調節型があるんだ。モザイク型は、胚から一つの細胞を取り出すと、それがまだ全体の一部であるかのように発展するっていう考え方。一方、調節型は、細胞の運命が周りの細胞に依存するって考え方。動物の発生では、両方のモードが同時に起こることもあるよ。
二つの発生モードの理解
モザイク型では、各細胞の特定のアイデンティティがあらかじめ決められてるんだ。例えば、初期段階の胚から特定の細胞を取り出すと、その細胞は元々の計画通りに発展することが分かってる。これは、カエルの胚を使った実験で示されたよ。ある細胞を取り出すと、小さいけど機能する胚ができたんだ。
逆に、調節型では、細胞が周りの細胞に基づいて運命を適応させることができるんだ。また、ウニの胚を使った実験では、細胞が孤立しても、いくつかは完全な生物を形成できることがわかった。これは、隣接する細胞が不足しているものを補えることを示してるんだ。
この二つの発生モードがどのように機能するかを理解するのは、全体の発生プロセスの中でその役割を把握するのは難しいよ。
正確な測定の必要性
この二つのモードが発生プロセスにどう寄与しているかを本当に理解するためには、研究者は信頼できる方法で胚のデータを測定して分析する必要があるんだ。細胞の特徴、位置、発現している遺伝子を詳細に追跡できる技術が進歩してきてるよ。
胚の中のすべての細胞について、系譜、位置、発現プロファイルの情報を集めるのは簡単じゃなくて、これらの側面を同時に測定するのは難しいんだ。多くの場合、研究者は間接的な方法に頼らざるを得なくて、完全な絵は得られないかもしれない。
C. elegansをモデル生物として
線虫のC. elegansは、発生生物学の研究でよく使われるんだ。なぜなら、細胞の系譜、つまり細胞がどのように分裂して専門化するかが一貫しているから。これにより、科学者たちは個々の細胞を発展の過程で追跡し、異なるモードの役割をより簡単に分析できるんだ。
C. elegansの各細胞には明確なアイデンティティがあって、研究者はこの系譜を通じて追跡できる。最近の研究では、細胞の位置、細胞同士の関係、そしてその細胞内のタンパク質の発現に関する情報を統合したデータセットが作られたよ。
モザイク型と調節型モードの寄与
C. elegansの発生がよく文書化されているので、研究者たちはモザイク型と調節型が異なる組織を作る過程でどのように役割を果たすかを探ることができるんだ。例えば、研究では、モザイク型の寄与がすべての組織タイプで重要だって分かった。一方で、調節型の寄与は時間や組織の種類によって異なった。
特定の組織、例えば神経細胞や皮膚の早期発生では、調節型が重要だってわかった。でも、腸の発展では、このモードはあまり役立たなかったんだ。
細胞の関係を分析する
二つのモードがどのように協力しているかを分析するために、科学者たちは細胞間の関係を詳しく見たよ。細胞の系譜、空間的位置、発現プロファイルに基づいて、細胞間の距離を測定したんだ。
研究者たちは、系譜で関係のある細胞が物理的にも近い傾向があることを発見した。これは、細胞が互いに影響を与え合う理解を複雑にするかもしれない。例えば、系譜が近いことで発現に類似点が生まれることもあれば、隣接した細胞がその細胞の運命に影響を与えることもあるかもしれない。
そうした関係のパターンを分析することで、研究者はモザイク型と調節型の発生モードがどのように寄与しているかを知ることができるんだ。
四分円を使って細胞の構成を特定
細胞の相互作用を理解するために、研究者たちは系譜、空間距離、文脈に基づいて細胞のペアを異なるグループに分類したんだ。これにより、細胞同士の関係を明らかにするパターンや構成を特定することができたよ。
すべての細胞ペアを関係性に基づいて四分円に分類することで、研究者は時間を追ってトレンドを観察できた。例えば、系譜では遠く離れているけど、文脈が似ている細胞ペアが特に興味深いことがわかった。これは、文脈が発展に強い役割を果たすことを示唆しているんだ。
C. elegansからの観察
C. elegansの発展を通じて、研究者たちはモザイク型の寄与が様々な組織において強く保たれる傾向があることを発見した。一方で、調節型は特定の時期や組織でより重要なように見えた。
例えば、皮膚や神経の発生では、発展が進むにつれて文脈の重要性が増していった。でも、腸からの寄与は文脈に依存しないことが分かったんだ。
細胞ダイナミクスの役割
研究者たちはまた、細胞数や細胞の配置の変化が発生プロセスにどのように影響するかを調べたよ。場合によっては、細胞の数が分裂の後に急激に増加したり、細胞の再配置が重要な役割を果たしたりするんだ。
皮膚組織の分析では、新しい細胞分裂のラウンドが完了した後も、文脈的要因からの寄与が増え続けることが示された。これは、細胞の環境における配置が発展に大きく影響する可能性があることを示唆しているよ。
遠くの細胞が似た運命を持つ
研究では、系譜的には遠くにある細胞が似た発展を遂げる例も浮かび上がった。これら二つの細胞を系譜を通じて追跡することで、異なる経路が同じ運命に導くことがあることを示したんだ。
この発見は発生の複雑さを強調していて、系譜と外部の文脈が細胞の振る舞いや分化に影響を与えることを示しているよ。
結論と今後の方向性
C. elegansに関する研究は、モザイク型と調節型が胚発生にどのように寄与するかを理解するのに貴重な洞察を提供してくれる。様々な組織や異なる時期におけるこれらの寄与を評価することで、科学者たちは系譜と空間的文脈の相互作用をより良く理解できるようになるんだ。
今後は、他のモデル生物でこれらの関係を探るのが有益だろう。高スループットデータ収集方法が普及してきていて、科学者たちは発生中の細胞行動に関する膨大な情報を集めることができるようになってきてるよ。
系譜、空間的要因、そしてタンパク質発現の関係や相互作用を理解することで、全体的な発生プロセスのより明確な絵が得られ、将来的には生物を形成する細胞の複雑なバレエについてもっと解明できる道が開けるはずだよ。
タイトル: Assessing the Relative Contributions of Mosaic and Regulatory Developmental Modes from Single-Cell Trajectories
概要: Development is a highly complex process consisting of coordinated cell proliferation, cell differentiation and spatial organization. Classically, two ways to specify cell types during development are hypothesized : mosaic and regulative modes. In the mosaic mode, a particular cell isolated from the rest of the embryo will nevertheless give rise to cells with a fate identical to the ones expected in normal development, thus relying on lineage-inherited factors. In the regulative mode, the fate of a cell depends on its interactions with its environment, and thus relies on space-dependant factors. Both modes often coexist in the development of a given animal. We propose to quantify their respective contributions from single-cell trajectories. C. elegans development provides a unique opportunity to elaborate such an approach. Indeed, its invariant lineage enables the integration of spatial positions, lineage relationships and protein expression data. Using the single cell protein expression profile as a readout of the cell state, we relate the contributions of the mosaic and the regulative modes to the following measurable quantities. The contribution of the mosaic mode, or lineage-inherited contribution is quantified by the strength of the relationship between the cell-cell lineage distance and the cell-cell expression distance. Similarly, the contribution of the regulative mode, or context-dependent contribution is quantified by the strength of the relationship between the cell-cell context distance and the cell-cell expression distance. The cell-cell context distance measures the similarity between the spatial neighborhoods of two cells based on the gene expression profiles of their neighbours. We assess the significance of these contributions by comparing the empirical results obtained on C. elegans data to artificial models generated using simple rules. With these measures, we show the co-existence of mosaic and regulative modes in the development of C. elegans. The relative contribution of these two modes varies across the different tissues and in time. In particular, we see in the skin tissue that during early development, the mosaic mode dominates while at later stages, regulative mode dominates, suggesting a convergence of single cell trajectories. These measures are general and can be applied to other datasets that will be made available with the progress of spatial transcriptomics and lineage-tracing, paving the way for a quantitative, unbiased and perturbation-free study of fundamental concepts in developmental biology.
著者: Paul Villoutreix, S. Song
最終更新: 2024-07-25 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.07.25.605053
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.07.25.605053.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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