microRNA在转录后水平调控基因表达和多个生物学过程。尽管microRNA通路整体对于正常发育不可或缺，但遗传学研究显示，敲除单个microRNA甚至整个家族往往不对发育造成重大影响。这一现象制约了对单个microRNA功能的解析，并提示其可能调控特定细胞的发育，或在特定条件下调控发育，或多个microRNA协同发挥功能。无论何种情况，在单细胞精度阐明microRNA的4D时空表达模式，将为相关研究提供重要的切入点，然而，领域内尚缺乏该信息。
为填补这一空缺，中国科学院遗传与发育生物学研究所杜茁研究组联合首都师范大学生命科学学院研究人员，通过构建荧光报告品系，并采用基于高分辨成像的单细胞解析方法，量化了线虫进化保守microRNA随整个胚胎发育，在各个细胞的转录活性，并明确了细胞的身份和空间信息。该结果命名为“单细胞摄像机”（scCAMERA，single-cell CArtography of MicroRNA Expression based on Reporter Assay），实现了在多细胞生物中对microRNA的表达完成迄今最高分辨率和覆盖率的时空解析，并以此揭示了多个microRNA的发育新功能，及其调控细胞命运的基本作用模式。该成果题为“A lineage-resolved cartography of microRNA promoter activity in C. elegans empowers multidimensional developmental analysis”，于2024年3月30日，在线发表于《Nature Communications》杂志（DOI:10.1038/s41467-024-47055-4）。
研究团队发现microRNA的表达呈现高度的组织、亚组织和单细胞特异性，并能有效区分不同类型和解剖学特性的细胞。该结果提示，敲除单个microRNA时常无整体表型，可能源于其表达与功能的高度细胞特异性，因此，高精度表达信息为设计更具针对性的表型分析提供指导。为证实该可能性，研究基于表达信息，成功预测并揭示了多个microRNA的发育新功能。例如，揭示了miR-1调控线虫咽喉组织（哺乳动物心脏的同源器官）的发育及摄食，miR-232通过抑制NHR-25/NR5A蛋白表达，促进排泄管道细胞（哺乳动物肾脏同源器官）的形态建成。此外，基于表达相似性，还揭示了miR-232与miR-234协同调控排泄管道发育。
进一步，为形成对microRNA发育功能的规律性认识，研究整合了多类功能基因组学数据，探究了microRNA的表达调控和发育功能的基本模式。通过计算分析结合实验验证，团队发现microRNA与组织命运决定因子（以转录因子为代表）形成了功能上的协同调控（coherent regulation），增进细胞分化的特异性和稳定性。具体而言，命运决定因子通过组织特性地激活一系列基因表达，激活相应的分化程序，实现细胞分化的特异性。然而，研究发现细胞分化程序的激活过程难以达成绝对的特异和专一，很多基因经常发生渗漏转录（leaky transcription），即本应在特定组织细胞表达的基因也在其他组织中转录，这潜在干扰了细胞分化的忠实性。作为一种应对策略，研究发现命运决定因子同时激活microRNA，而后者倾向于靶向渗漏转录基因，抑制其翻译产生蛋白，从而在转录后水平抑制细胞分化噪音。该发现强化了microRNA调控发育稳定性的理论，并揭示命运决定因子可引发两类互相协调的过程，从不同层面促进细胞分化的高度专一和稳定。
综上，该研究为系统发掘microRNA的发育功能，理解其基本功能模式提供参考和指导。杜茁研究组的徐伟娜、刘瑾仪和齐欢为论文的第一作者，杜茁研究员和首师大李勇斌博士为论文的通讯作者。研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、中国博士后基金及分子发育生物学国家重点实验室的资助。
图：单细胞时空转录活性图谱揭示microRNA的发育功能和调控模式
