由旧金山陈扎克伯格生物中心(CZBiohubSF)团队领导的科学家报告了Zebrahub的开发情况，Zebrahub是一套动态的、最先进的斑马鱼胚胎发育图谱。Zebrahub将斑马鱼胚胎中新生细胞的高分辨率延时视频与大量数据相结合，这些数据表明在单个细胞迁移到最终位置并承担最终在成年鱼体内发挥作用时，哪些基因被开启和关闭。

该图谱代表了追踪和绘制每个细胞共同形成成年生命体的行为这一目标的最新进展，并以可点击、可导航的方式呈现该地图——这是一种发育生物学的谷歌地球。

“Zebrahub提供了首次以极高精度研究细胞在极其复杂的发育过程中的行为的机会之一，”CZBiohubSF高级研究员MerlinLange博士说道。“将单个细胞的基因表达与细胞随时间的空间映射结合在同一资源中是非常罕见的。”

Zebrahub可供研究人员免费使用，并包含专为生物学家设计的内置分析工具。它的创建需要构建一套新的仪器和软件。该资源代表了同类资源中最全面的图谱，正如研究人员在论文中写道的那样，这是朝着“开启发育和进化生物学新时代”迈出的重要一步。

有机体结构小组负责人、CZBiohubSF成像AI总监LoïcRoyer博士评论道：“生命体如何从单个细胞发育成整个身体是生物学最大的谜团之一。借助Zebrahub，我们创建了迄今为止最详细的该过程图谱。”

该团队在《细胞》杂志上发表论文，Lange是第一作者，Royer是资深作者，论文标题为“多模态斑马鱼发育图谱揭示晚期脊椎动物多能中轴祖细胞的状态转变动态”。

为了形成复杂的成年生物体(如人类或鱼类)，受精卵必须分裂成一组子代细胞，这些子代细胞不断分裂，直到产生数百万个细胞，并承担起皮肤、肝脏、大脑和身体所有其他组成部分的角色。作者指出：“受精卵发育成多细胞生物需要各种过程的协调，包括基因调控、细胞运动和组织形态动力学。”

虽然大多数情况下，胚胎的所有细胞都包含一组相同的基因，但每种细胞使用这些基因的方式(在不同时间点以不同的组合打开或关闭它们)是独一无二的。长期以来，科学家们一直在思考数百万个细胞中的数千个基因的“选择”如何结合在一起，形成具有多种特殊组织的功能齐全的成年生命体。“发育生物学面临的一个主要挑战是了解单个细胞在不同规模上组织和器官时的谱系，”研究人员继续说道。在解决这个艰巨难题的过程中，每一次进展都会带来新的见解，说明为什么这个过程有时会出错，导致紊乱和疾病。“然而，该界缺乏结合时空和转录组学景观的发育谱系多模式制图，”Lange等人指出。

斑马鱼是一种原产于南亚的淡水物种，成年后体长很少超过两英寸，它们是人类健康相关发育研究的长期模型。大约70%的人类基因在斑马鱼中都有对应基因，尽管外观上有很大差异，但作为脊椎动物，我们拥有大部分相同的整体身体结构，以及各个身体部位最初形成的细胞和分子过程。至关重要的是，斑马鱼胚胎大多是透明的，而且与小鼠胚胎不同，它们在母体外部发育，这使得科学家能够在显微镜下详细观察它们的早期生长情况。

即使有斑马鱼等强大的模型，发育生物学研究历来也是零零碎碎地进行的，因为研究事件的复杂性限制了研究的开展，这些事件太微小以至于无法看到，而且这些事件在生物体内以数百万计的速度发生，而这些生物体很容易被旨在了解它们的实验所破坏。目前还没有一个综合的系统来考虑整体而不是只考虑碎片。

借助Zebrahub，CZBiohubSF的研究人员希望帮助改变这一现状，通过让研究人员在一个地方轻松访问这些过程的广度来加速该领域的发展。得益于CZBiohubSF开发的一套新实验室程序，Zebrahub也是同类中首批包含特定于单个胚胎的基因表达数据的数据集之一。收集此类数据的过程通常需要研究人员汇集来自多个胚胎的DNA。这一进步意味着Zebrahub带来了额外的好处，即允许科学家研究可能导致同胞鱼之间不同健康结果的细微表达差异。

Zebrahub拥有两大数据集以及一套旨在帮助生物学家使用它们的工具。第一个数据集提供延时视频显微镜，显示受精后24小时内斑马鱼胚胎中大多数细胞的诞生和早期运动，在此期间器官开始形成。第二个数据集提供在胚胎发育前10天的10个不同时间点，超过120,000个斑马鱼细胞中哪些基因处于活跃状态的数据。“……我们将光片显微镜与单个发育中的斑马鱼胚胎的scRNA-seq相结合，以时空分辨率构建全面的细胞谱系和分子状态多模态图谱，”科学家解释说。“通过结合成像和测序数据集，我们结合了两种模式的优势。”

为了制作延时视频，Royer、Lange和CZBiohubSF的科学家和工程师设计并制造了“DaXi”(发音为“dah-shee”)，这是一种新型的自动显微镜，其视野足够大，可以捕捉整个活胚胎的图像。DaXi是一种光片显微镜，它以独特的方式发射和捕捉光线，旨在保护胚胎免受高强度激光束的伤害，这些激光束会在短时间后损害甚至杀死胚胎。科学家们指出：“为了对密集且快速发育的胚胎中的细胞进行成像并准确追踪其运动，我们采用了单物镜光片显微镜(DaXi)，它能够对大体积(>1mm3)进行高分辨率成像(1.0NA)，而无需耗时的样品制备协议。”

然后，为了让科学家能够轻松地使用捕获的视频来研究特定细胞，CZBiohubSF软件工程师JordãoBragantini博士领导开发了一个名为Ultrack的复杂新程序，该程序可以自动识别细胞核并在三维空间中随时间跟踪它们在视频中的运动。“我们使用基于深度学习的核分割算法和细胞跟踪算法跟踪(Ultrack)从单细胞轨迹重建高分辨率命运图。”

结合起来，这些工具生成的数据集使研究人员能够进行虚拟实验，检查细胞在发育过程中的开始和结束位置，甚至可以随时间向前和向后运行它们的发育轨迹。

在开发这种方法的过程中，Zebrahub团队已经取得了一些有趣的发现。例如，该团队观察了胚胎尾部的一个细胞亚群——神经中胚层祖细胞(NMP)，在他们检查的时间点，人们以前认为这些细胞只能产生一种组织。然而，当Zebrahub的研究人员分析细胞的运动和扩张时，他们意识到这些细胞正在发育成肌肉细胞和神经元，并整合到脊髓中。

“这是一个非常意外的发现，”Lange说。“如果没有Zebrahub提供的广阔视野，这种发现很难证实。”作者进一步指出，“Zebrahub的数据集和技术组合有助于完善我们对谱系的理解，帮助回答有关细胞命运动态的更细微问题……除了NMP，这一资源还将揭示其他重要的发育过程。Zebrahub准备扩展更多发育阶段、多组学数据集，并最终实现多个胚胎的共识数字谱系重建。”

Zebrahub项目历时五年，需要开发多种新技术，并依靠CZBiohubSF旗下的生物学、工程学、光学、物理学和数据科学领域的专家。在此过程中开发的每一项技术都是开源的，随着社区齐心协力改善我们对胚胎发育的看法，这将有助于为该项目添加更多数据。

“这种项目永远不会通过传统渠道获得资助，”CZBiohubSF首席战略官SandraSchmid博士表示。“但得益于陈-扎克伯格倡议建立科学机构的创新方法，Zebrahub不仅提供了数百万个有关胚胎发育的测量数据，科学界的任何人都可以访问，而且这些数据正是推动新AI计划所需的数据，这些计划将带领我们走向健康科学的未来。”

Zebrahub已经帮助支持了其他实验室的发现。一个由来自俄亥俄州阿什兰大学和纽约州立大学奥尔巴尼分校的研究人员组成的团队将Zebrahub与他们自己的细胞图谱结合使用，以探究哪些细胞蛋白可能导致眼睛白内障的形成。为此，研究人员依靠Zebrahub的基因表达数据库来查看晶状体细胞何时以可能导致问题的方式激活和停用某些基因。

“斑马鱼体型非常小，我们很难将晶状体剥离，以便了解哪些基因在此区域起作用，以及一个细胞与另一个细胞有何不同，”阿什兰大学生物学教授、这项研究的共同资深作者梅森·波斯纳博士说。在这里，“我们已经完成了这项工作，我们可以深入了解，例如，这种组织如何变得透明，并发挥生物玻璃的作用。”

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