湯超實(shí)驗(yàn)室與合作者構(gòu)建線蟲胚胎發(fā)育形態(tài)學(xué)圖譜
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2020年12月7日，北京大學(xué)湯超實(shí)驗(yàn)室、香港浸會(huì)大學(xué)趙中應(yīng)實(shí)驗(yàn)室、香港城市大學(xué)嚴(yán)洪實(shí)驗(yàn)室在《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表文章Establishment of a morphological atlas of the Caenorhabditis elegans embryo using deep-learning-based 4D segmentation（文章網(wǎng)址https://www.nature.com/articles/s41467-020-19863-x），定量、系統(tǒng)地構(gòu)建了秀麗隱桿線蟲早期胚胎發(fā)育的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)學(xué)圖譜（圖1）。
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圖1. 示意圖
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秀麗隱桿線蟲擁有單細(xì)胞級(jí)別的發(fā)育精度，即每個(gè)細(xì)胞的分裂時(shí)間、分裂方向、運(yùn)動(dòng)路徑、命運(yùn)身份等信息在不同個(gè)體間高度準(zhǔn)確，因此成為發(fā)育生物學(xué)界最為廣泛使用的模式生物之一。1983年，Sulston J. E.等人通過(guò)繁重的人眼識(shí)別追蹤，繪制出秀麗隱桿線蟲發(fā)育的細(xì)胞譜系；2006年，Waterston R. H.等人開(kāi)發(fā)了一套持續(xù)標(biāo)記、自動(dòng)追蹤全胚胎細(xì)胞核的實(shí)驗(yàn)方法。然而，細(xì)胞核只是細(xì)胞體內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)，無(wú)法準(zhǔn)確提供復(fù)雜的三維形態(tài)信息；而由于細(xì)胞膜在空間中呈區(qū)域狀連續(xù)分布，難以識(shí)別，因此長(zhǎng)期以來(lái)定量的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)圖譜并未成功建立。
研究團(tuán)隊(duì)首先改良了一個(gè)能夠持續(xù)熒光標(biāo)記細(xì)胞膜的線蟲品系，利用共聚焦顯微鏡拍攝了17個(gè)胚胎在4到350細(xì)胞期的發(fā)育過(guò)程；再利用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)細(xì)胞膜熒光照片進(jìn)行自動(dòng)分割，結(jié)合已有的細(xì)胞核追蹤工具識(shí)別每一個(gè)細(xì)胞對(duì)應(yīng)的空間區(qū)域（圖2）；分割后的胚胎經(jīng)過(guò)時(shí)間、空間規(guī)范化后組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的形態(tài)圖譜；隨后，團(tuán)隊(duì)針對(duì)細(xì)胞的體積、表面積、接觸關(guān)系、形狀不規(guī)則度、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)等問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)性探究（圖3）。本工作構(gòu)建的線蟲胚胎標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)圖譜將為發(fā)育生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物力學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)支持。
圖2. 實(shí)驗(yàn)拍攝與算法流程
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圖3. 標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)圖譜與各項(xiàng)發(fā)育參數(shù)
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北京大學(xué)定量生物學(xué)中心/生命科學(xué)聯(lián)合中心/物理學(xué)院湯超教授、香港浸會(huì)大學(xué)生物系/環(huán)境與生物分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙中應(yīng)教授、香港城市大學(xué)電子工程系嚴(yán)洪教授為文章的共同通訊作者；香港城市大學(xué)博士生曹劍鋒、北京大學(xué)博士生關(guān)國(guó)業(yè)、香港浸會(huì)大學(xué)博士Vincy Wing Sze Ho為文章的共同第一作者；香港浸會(huì)大學(xué)的Ming-Kin Wong、Lu-Yan Chan提供了實(shí)驗(yàn)技術(shù)支持。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19863-x
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