小果蝇，立大功：李红杰/骆利群等完成果蝇全身单细胞转录组图谱

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文章来源：BioArt | 作者：十一月

图1 白眼果蝇与红眼野生型果蝇

提到果蝇，笔者印象最深的教科书上摩尔根的那只白眼果蝇（图1），“......那只果蝇却很虚弱。摩尔根晚上把它带回家中，让它呆在床边一个瓶子里，白天又把它带回实验室。在实验室，它临死前抖擞精神，与一只红眼果蝇交配，把突变基因传了下来”。由此，摩尔根发现了遗传学第三定律。

黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）的生物学研究历史与多种生物学关键发现都有关，果蝇社区内科学家们的高度协作促进了多种资源开发，其中包括高质量的基因组、遗传学和分子生物学工具以及一些重要的数据库比如Flybase 、FlyMine、FlyLight、VirtualFlyBrain等【1-3】，但是目前还缺乏细胞类型分辨率方面的数据库。单细胞技术的发展使得多细胞转录组分析成为可能，目前已经有一些研究将单细胞scRNA-seq技术应用于对果蝇多个组织和不同发育阶段的分析【4】，然而这些数据库是由不同实验室基于不同的遗传背景、不同的实验方法以及不同测序平台产生的，因此阻碍了对于细胞和组织间基因表达进行系统性分析。

为此，贝勒医学院的李红杰研究组（中国科学技术大学0608校友）、比利时鲁汶大学Stein Aerts研究组、美国斯坦福大学骆利群研究组（中国科学技术大学81少校友）、Stephen R. Quake研究组、瑞士洛桑综合理工学院Bart Deplancke研究组以及美国哈佛大学医学院Norbert Perrimon研究组在Science合作发文题为Fly Cell Atlas: A single-nucleus transcriptomic atlas of the adult fruit fly，通过单细胞核分辨率的基因功能以及细胞类型建立起了果蝇细胞图谱（www.flycellatlas.org），这一数据库中的数据可以通过多个门户网站获得，从而便于整个科研社区进行分析与研究。

果蝇的基因组中包含约14,000个蛋白质编码基因，其中约63%与人类同源。因此对果蝇基因组以及单细胞组学的研究对于人类基因以及疾病的相关研究也非常重要。作者们的目标是建立一个具有相同遗传背景、分选实验方案以及测序平台的完整成年果蝇的细胞图谱，从而能够获得全面细胞分类、整合单细胞转录组数据与基因表达和细胞类型的信息、系统性地比较成体果蝇以及雄性果蝇和雌性果蝇基因表达的差异的数据库，另外还可以识别和建立果蝇体内不同细胞类型的特异性标记物。

为了实现全面采样，作者们解剖了12个的雌性果蝇和雄性果蝇个体组织以及三个性别特异性组织。对于遍布全身无法进行解剖的组织，作者们使用特异性GAL4驱动核绿色荧光蛋白，用荧光激活细胞分选方式标记和收集细胞核，进行了单细胞核snRNA-seq【5】。另外，作者们使用Smart-seq2对两种罕见的细胞胰岛素生产细胞和心体细胞（Corpora cardiaca cells）进行了测序（图2）。这两种互补的策略实现了前所未有的细胞类型覆盖，作者们总共获得了58万个高质量的细胞核，其中57万个来自于10x Genomics平台, 1万个个来自Smart-seq2。

图2 果蝇细胞图谱工作流程以及分析覆盖的组织类型

在得到果蝇细胞图谱后，作者们对结果进行了分析，并通过四十多个实验室的协作对细胞类型进行了详细注释。举例来说，在果蝇的头部，作者们共鉴定发现的81中神经细胞类型。而在果蝇的身体其中主要有33中细胞类型，包括肌肉细胞、内皮细胞、脂肪细胞、绛色细胞、生殖细胞、胶质细胞和气管细胞等等。作者们所建立的图谱可以用于比较跨组织的相同细胞。另外，作者们对每种细胞类型的细胞标记物进行了统计，其中14,240个基因被发现至少出现在一种细胞中，每种细胞类型的标记物中位数是638个，其中细胞标记物最少的是内脏肌肉细胞为94个，而精母细胞中则包括7736个细胞标记物。除此之外，作者们还对组织特异性转录因子进行了鉴定和计算，从而针对一种或者少数几种类型得出特定的转录因子标记。

随后，作者们对性别依赖的基因表达以及性别特异性的组织进行了分析。体细胞中性别决定导致两性差异的关键信号通路是doublesex（dsx），作者们得出的基因图谱对性别差异记忆表达进行了全面概括，另外也对雌性和雄性果蝇中的差异细胞类型进行了鉴定。

图3 工作模型——果蝇细胞图谱

关于单细胞核测序对细胞类型进行大规模的鉴定和描述，线虫、小鼠以及人类细胞中已有研究【6-8】。而在该工作中，作者们通过统一的测序方法、测序平台以及分析流程对成体果蝇身体中细胞进行了全面覆盖，对多种细胞进行了详细的基因注释，并且建立了细胞类型特异性的标记物以及转录因子，构建了大范围的基因调控网络（图3）。另外，作者们所建立的图谱对与果蝇性别二态性进行了分析，并对性别特异性细胞分化轨迹的组织动力学进行了研究。这一图谱已经整合到多个平台之中，对于科研社区的研究与发展提供了重要资源。

目前 贝勒医学院的李红杰课题组正在招收博士后，有意愿可以直接联系李红杰博士，详情https://hongjielilab.org/

原文链接：

https://doi.org/10.1126/science.abk2432

参考文献

1. M. D. Adams et al., The genome sequence of Drosophila melanogaster. Science 287, 2185–2195 (2000). doi: 10.1126/ science.287.5461.2185; pmid: 10731132

2. A. Larkin et al., FlyBase: Updates to the Drosophila melanogaster knowledge base. Nucleic Acids Res. 49, D899–D907 (2021). doi: 10.1093/nar/gkaa1026; pmid: 33219682

3. R. Lyne et al., FlyMine: An integrated database for Drosophila and Anopheles genomics. Genome Biol. 8, R129 (2007). doi: 10.1186/gb-2007-8-7-r129; pmid: 17615057

4. H. Li, Single-cell RNA sequencing in Drosophila: Technologies and applications. Wiley Interdiscip. Rev. Dev. Biol. 10, e396(2021). doi: 10.1002/wdev.396; pmid: 32 940008

5. C. N. McLaughlin et al., Single-cell transcriptomes of developing and adult olfactory receptor neurons in Drosophila. eLife 10, e63856 (2021). doi: 10.7554/eLife.63856; pmid: 33555999

6. J. Cao et al., Comprehensive single-cell transcriptional profiling of a multicellular organism. Science 357, 661–667 (2017). doi: 10.1126/science.aam8940; pmid: 28818938

7. Tabula Muris Consortium, Single-cell transcriptomics of 20 mouse organs creates a Tabula Muris. Nature 562, 367–372 (2018). doi: 10.1038/s41586-018-0590-4; pmid: 30283141

8. J. Cao et al., A human cell atlas of fetal gene expression. Science 370, eaba7721 (2020). doi: 10.1126/science.aba7721; pmid: 33184181

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