图一、转录组进化年龄在发育中的动态变化。上图显示了秀丽隐杆线虫胚胎和幼虫发育过程中转录组年龄指数 (Transcriptome Age Index, TAI) 的变化。高 TAI 表示较年轻的转录组，而低 TAI 表示较古老的转录组。最低的 TAI 时期发生在胚胎发育中期。下图显示了在二细胞和原肠胚形成阶段的秀丽隐杆线虫胚胎和成虫。图片由麻富强博士及郑超固博士提供。

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(原新闻稿已于4月6日发布)

香港大学（港大）生物科学学院郑超固博士领导的研究团队，最近运用最新的单细胞测序数据和精细的系统基因分层技术，确定了秀丽隐杆线虫 (Caenorhabditis elegans) 中不同类型的细胞的进化年龄，发现单细胞的转录组年龄和可能的进化起源，在动物发育的研究上取得重要进展。

他们的发现阐明了动物发育机制中「沙漏模式」的细胞学基础，并揭示了不同细胞类型的转录组年龄存在着显著的差异。转录组年龄是一种进化上的分子年龄，其结合了基因年龄与基因表达量，反映的是表达基因在进化上的保守性。古老的转录组表示大量进化上保守而古老的基因被转录表达，而年轻的转录组则表示更多新产生的年轻基因被转录表达。通过分析单个细胞的转录组年龄，研究团队发现不同细胞和组织对进化适应的不同贡献，阐述了各种细胞类型之间的进化关系，以及生物体发育模式的可能进化过程，为探究推动物种进化的遗传机制提供了新视角。研究结果已在《美国国家科学院院刊》 （PNAS） 上发表。

分子研究对沙漏模型提供启示

所有动物在胚胎发育的中期都具有相似的形态，而在胚胎发育的早期和晚期却具有较大的形态差异。这种模式通常被称为「沙漏发育模式」，意味着所有动物在胚胎发育中期都会经历一个进化上的保守阶段。最近的分子研究显示，处于发育中期的胚胎会表达出最古老的转录组，这意味着这阶段利用了最古老和最保守的基因来表达；相反，较年轻的基因在胚胎发育的早期和晚期表达。这些研究使用一种称为系统基因分层技术，比较不同物种的基因序列来确定基因年龄，并分析不同发育阶段的胚胎的基因表达。

然而，这些研究只能确定整个生物体在发育过程中的转录组年龄，而不能确定单个细胞或组织的转录组年龄。这种局限带来很大的限制，因为获得有关特定细胞和组织中基因年龄的信息，对于更详细地了解物种间发育模式的演变以及驱动它的遗传机制至关重要。如可以突破此限制，便可阐明个体组织和细胞如何促成沙漏模式，帮助了解不同器官和组织促进动物整体发育过程的进化和适应的机制。

从全生物体到单细胞分析

为了填补这一知识空白，研究小组使用 RNA 测序数据在单细胞水平上研究了秀丽隐杆线虫的转录组年龄。他们研究了整个胚胎（或生物体）和单个细胞的 RNA 表达，以全面了解胚胎和幼虫在发育过程中基因表达的情况。该团队首先确定了秀丽隐杆线虫胚胎发育中期是表达最古老转录组的时期，这时期从原肠胚形成（即胚胎形成不同胚层的过程）后开始并持续到器官早期发育。更重要的是，研究小组发现在早期胚胎中的某些细胞表达比其他细胞更古老的基因。例如，后来成为生殖细胞系（germline，负责将遗传信息传递给后代）的细胞使用比「体细胞（即非生殖细胞）」组织更古老的基因。同样地，在早期发育过程中，与其他胚层细胞相比，后来成为内胚层（endoderm，发育成消化道）的细胞同样使用更古老的基因。而在已分化的细胞中，肌肉细胞比其他细胞类型表达更古老的转录组。

研究团队还观察到不同细胞和组织类型之间的转录组年龄在胚胎发育的早期阶段差异不大，但随着细胞分化的进程，在胚胎发育晚期和幼虫阶段时才有显著差异。研究团队追踪不同细胞谱系中转录组年龄的动态变化，确定了某些组织（例如皮肤）的转录组年龄在胚胎发育的晚期阶段变得明显年轻。研究团队进一步分析了线虫神经系统中 128 种不同类型神经元的转录组年龄差异，发现一组特定的化学感觉神经元及其下游中间神经元的转录组年龄都非常年轻，而因为许多新进化出来的年轻基因都与感知环境因子相关，这可能有助线虫在进化过程中更容易适应环境。最后，通过分析不同神经元类型之间转录组年龄的差异，以及调节它们发育的基因的年龄，研究小组成功推测了这128 种神经元类型中的一些神经元的进化历史。

「我们的研究以线虫为例子，展示了如何从单细胞水平上的转录组年龄深入了解细胞的发育模式是如何在漫长的进化过程中不断创新的，并帮助理解细胞类型多样性的进化起源。」该论文的第一作者，港大生物科学学院博士后研究员麻富强博士说。

该研究项目的负责人郑超固博士强调：「这项研究是一个利用尖端的单细胞转录组学研究传统进化生物学问题的一个例子。」郑博士估计，通过在转录组水平确定单细胞类型的进化年龄，可以开拓新的研究方向，并有助于我们对影响物种进化的遗传机制的理解。

参看研究论文：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2216351120

Ma F, Zheng C. Transcriptome age of individual cell types in Caenorhabditis elegans.Proc Natl Acad Sci U S A. 2023 Feb 28;120(9):e2216351120.

本研究由国家自然科学基金、香港研究资助局和香港大学资助。

相⽚下载及说明：https://www.scifac.hku.hk/press

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