湯超實驗室與合作者構建線蟲胚胎發(fā)育形態(tài)學圖譜
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2020年12月7日，北京大學湯超實驗室、香港浸會大學趙中應實驗室、香港城市大學嚴洪實驗室在《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（文章網址https://www.nature.com/articles/s41467-020-19863-x），定量、系統地構建了秀麗隱桿線蟲早期胚胎發(fā)育的標準形態(tài)學圖譜（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胞級別的發(fā)育精度，即每個細胞的分裂時間、分裂方向、運動路徑、命運身份等信息在不同個體間高度準確，因此成為發(fā)育生物學界最為廣泛使用的模式生物之一。1983年，Sulston J. E.等人通過繁重的人眼識別追蹤，繪制出秀麗隱桿線蟲發(fā)育的細胞譜系；2006年，Waterston R. H.等人開發(fā)了一套持續(xù)標記、自動追蹤全胚胎細胞核的實驗方法。然而，細胞核只是細胞體內的一個點，無法準確提供復雜的三維形態(tài)信息；而由于細胞膜在空間中呈區(qū)域狀連續(xù)分布，難以識別，因此長期以來定量的標準形態(tài)圖譜并未成功建立。
研究團隊首先改良了一個能夠持續(xù)熒光標記細胞膜的線蟲品系，利用共聚焦顯微鏡拍攝了17個胚胎在4到350細胞期的發(fā)育過程；再利用深度學習網絡對細胞膜熒光照片進行自動分割，結合已有的細胞核追蹤工具識別每一個細胞對應的空間區(qū)域（圖2）；分割后的胚胎經過時間、空間規(guī)范化后組成一個標準化的形態(tài)圖譜；隨后，團隊針對細胞的體積、表面積、接觸關系、形狀不規(guī)則度、信號轉導網絡等問題進行了系統性探究（圖3）。本工作構建的線蟲胚胎標準形態(tài)圖譜將為發(fā)育生物學、細胞生物學、生物力學等多個領域提供數據支持。
圖2. 實驗拍攝與算法流程
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圖3. 標準形態(tài)圖譜與各項發(fā)育參數
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北京大學定量生物學中心/生命科學聯合中心/物理學院湯超教授、香港浸會大學生物系/環(huán)境與生物分析國家重點實驗室趙中應教授、香港城市大學電子工程系嚴洪教授為文章的共同通訊作者；香港城市大學博士生曹劍鋒、北京大學博士生關國業(yè)、香港浸會大學博士Vincy Wing Sze Ho為文章的共同第一作者；香港浸會大學的Ming-Kin Wong、Lu-Yan Chan提供了實驗技術支持。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19863-x
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