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对叶片中细胞发育的巧妙研究

我们如何从单个细胞变成复杂的,整合的多细胞生物?

虽然发育生物学家长期以来一直在研究这个基本问题,但斯坦福大学生物学家和HHMI研究人员Dominique Bergmann最近对拟南芥植物的研究发现了令人惊讶的答案。

在一项由Bergmann和博士后学者Camila Lopez-Anido领导的于4月5日发表在Developmental Cell上的新研究中,研究人员使用单细胞RNA测序技术跟踪了近20,000个细胞的遗传活性,因为它们形成了拟南芥的表面和内部叶子。通过这种高度详细的技术,研究人员捕获了瞬时和稀有细胞状态,并发现了令人惊讶的大量歧义,说明细胞如何穿越各种身份,尤其是在干细胞种群的早期。

博格曼(Serley R. and Leonard W. Ely)是人文与科学学院的小教授,也是该书的高级作者,他说:“所有的细胞都是协调的,但它们都是具有自己的遗传程序的个体。”研究。“因此,我们真的在努力欣赏两者之间的平衡,既可以看到彼此的新奇之处和独特之处,又可以认识到它们是如何协同工作的。”

尽管该领域的许多科学家专注于果蝇和round虫,但只有通过研究其他生物体才能了解生物学发展的某些方面,例如Bergmann实验室的专长植物拟南芥。

“在面对不断变化的世界时,我们考虑灵活性和弹性时,我们想更多地了解生物体如何在压力或暴露于极端环境下如何构建功能性身体,”洛佩兹-安尼多(Lopez-Anido)表示。该研究的作者。“这需要对具有灵活和可调节生活方式的生物进行研究,例如我们研究的植物。”

作为艺术家大家庭的一部分,洛佩兹·安妮多(Lopez-Anido)也以独特的艺术视角来诠释和分享这项研究。在论文本身中,她使用了受点画主义启发的分析软件来优雅地组织和可视化其庞大的数据集。此外,她的姐姐,艺术家弗吉尼亚·洛佩兹·安妮多(Virginia Lopez-Anido)创作了受卡米拉(Camila)研究启发的艺术品,该作品将登上《发育细胞》的封面。

令人惊讶的细节

尽管先前在拟南芥属上的实验已经确定了制造专门细胞的一些重要基因和步骤,但是这种新的逐个细胞数据填补了开发的更多细节。例如,研究人员发现,细胞可能会在它们似乎遵循的发育路径上双退,并且还可能向前跳。他们还注意到,相对于旧干细胞,新干细胞调节细胞类型之间转换的方式可能有所不同。尽管他们先前已经知道细胞分化的核心步骤,但他们发现沿途实际上存在着许多小的,看似连续的步骤。

一个特别有趣的发现涉及一个称为SPEECHLESS的关键基因,该基因在称为气孔的气孔形成中起作用,植物通过该气孔交换气体并调节水含量。Bergmann实验室已经对SPEECHLESS进行了广泛的研究,但是新数据表明,它的发展过程比预期的要更长。在一项后续实验中,研究人员能够在该基因完成其已知作用后有选择地去除该基因,但比新数据表明它已经完成表达要早。果然,开发计划偏离了轨道,研究人员现在正在努力找出原因。

伯格曼说:“这与我们认为的知识相矛盾,这确实令人兴奋。” “这使我们想挖掘其他意外的细节-看起来像数据中无关紧要的斑点-看看我们错过了什么。”

Bergmann赞扬Lopez-Anido,他的这项工作启发了一些研究途径,包括重新考虑干细胞的含义,重新定义最终分化阶段的事件的框架以及重新评估在顶部和底部作为细胞诞生的含义。一片树叶。

艺术,科学与指导

分析来自近20,000个细胞和30,000个基因的细胞身份,需要机器学习算法。因此,洛佩兹·安妮多(Lopez-Anido)建立了一个组织框架,该框架建立在使用最广泛的分析工具之一的基础上,该工具以点画画家乔治·塞拉特(Georges Seurat)的名字命名为塞拉特(Seurat)。与点画法一样,代表单个细胞及其特定基因表达特征的单个点在可视化中混合在一起,使研究人员能够看到大规模趋势。

弗吉尼亚·洛佩兹·安妮多(Virginia Lopez-Anido)用另一种方式形象化了卡米拉(Camila)的作品。她开发了关于科学探究性质的绘画系列(无标题,纸上铅笔,8.5 x 11.7英寸,2021年),以及通过扫描气孔的电子显微镜图像得到启发的组织景观的粘土模型系列(无标题,数码照片, 2021年),这将成为《发展细胞》封面的艺术。

“我喜欢与跨学科的艺术家和学者交流,因为它可以给科学带来新的意义层,并使科学更容易获得,这对我来说非常重要,”在巴德学院(Bard College)教授科学素养的卡米拉·洛佩兹·安妮多(Camila Lopez-Anido)说。通过他们的公民科学计划,不久将开始在里德学院(Reed College)担任生物学助理教授。“我期待为我的受训者培养更多这些有意义的研究经验和合作。”

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