综述:鸡胚胎作为发育基因组学的模型

《Developmental Biology》:The chicken embryo as a model for developmental genomics

【字体: 时间:2026年04月25日 来源:Developmental Biology 2.1

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  鸡胚胎作为发育生物学模型,其基因组测序和表观遗传学技术的进步推动了基因调控机制的比较基因组学研究,外部发育优势使其在空间靶向实验和基因功能分析中具有独特价值。

  
Nagif Alata Jimenez|Marcos Simoes-Costa
哈佛医学院系统生物学系,美国马萨诸塞州波士顿

摘要

几个世纪以来,鸡胚胎一直是发育生物学的核心模型,因其易于实验操作以及可以直观观察和操作胚胎组织而备受重视。其外部发育过程使我们能够精确地干扰细胞命运、信号传导和形态发生,这些研究揭示了脊椎动物发育的基本原理。随着基因组技术的出现,这些优势变得更加重要,这些技术在一定程度上弥补了鸡在正向遗传学研究方面的不足,使鸡胚胎成为功能基因组学和调控基因组学的强大平台。鸡基因组的测序,结合高通量技术来分析基因表达、染色质可及性、转录因子结合和基因组组织,为直接在体内研究基因调控机制开辟了新的途径。鸡胚胎在这方面具有独特的优势:其紧凑的基因组支持高质量的基因组分析;其较高的实验通量使得系统性的干扰成为可能;其在脊椎动物中的进化位置使其在比较分析中具有价值。在这篇综述中,我们讨论了基因组和表观基因组学方法如何重塑了对鸡胚胎的使用,重点介绍了基因组组织、调控元件功能以及比较基因组学的进展,以及用于研究发育基因调控机制的实验工具箱。

引言

模型生物的使用对于推进我们对复杂生物过程的理解至关重要。其中,鸡胚胎是一个特别多用途的系统,在发育生物学和细胞生物学(Stern, 2005a)、免疫学(Wang et al., 2022)、癌症生物学(Victorelli et al., 2020; Wang et al., 2022)以及神经科学(Vergara and Canto-Soler, 2012)等领域做出了重要贡献。将鸡胚胎作为实验系统的使用可以追溯到亚里士多德,他通过打开鸡蛋并记录形态变化的顺序阶段,进行了最早的系统性观察。亚里士多德的观察为胚胎学研究奠定了基础,提供了关于器官形成和分化的最早描述之一(Lewis, 1935; Stern, 2004; Wolpert, 2004; Stern, 2005b; Mason, 2008)。
随着技术的进步,鸡胚胎在组织学研究中变得至关重要。Marcello Malpighi利用早期显微镜技术详细描述了胚胎结构(Malpighi, 1673),而后来的研究展示了发育能力、可塑性和诱导的关键概念(Abercrombie and Waddington, 1937)。鸡胚胎还在理解胚胎模式形成方面发挥了重要作用,包括肢体发育(Saunders, 1948; Tickle et al., 1985; Eichele and Thaller, 1987)、后脑分段(Lumsden and Keynes, 1989)以及左右轴的确定(Levin et al., 1995; Wolpert, 2004)。特别是移植实验和鹌鹑-鸡嵌合体(Le Lièvre and Le Douarin, 1975; Jotereau and Le Douarin, 1978; Balaban et al., 1988)使研究人员能够绘制不同祖细胞群的衍生物图谱。
对鸡胚胎发育的详细表征主要归功于Hamburger和Hamilton,他们提出了一个至今仍被广泛采用的精细分期系统(Hamburger and Hamilton, 1992)。鸡胚胎的一个关键优势是它们的外部发育特性,这便于直接操作胚胎组织。外部发育为建立一系列强大的实验方法提供了基础,用于研究胚胎发生,包括组织消融(Palmquist-Gomes et al., 2016)、自体和异体移植(Le Lièvre and Le Douarin, 1975; Jotereau and Le Douarin, 1978; Balaban et al., 1988)、涂有小分子的珠子的植入(Riddle et al., 1993; Yang et al., 2002)、全胚胎体外培养(Chapman et al., 2001)以及组织移植培养系统(Münsterberg and Lassar, 1995)。
2004年发布的鸡基因组草图序列(Hillier et al., 2004; Wallis et al., 2004)是使用鸡胚胎作为模型生物的一个重要里程碑。这些研究揭示了鸡基因组的显著特征,如其相对于哺乳动物基因组的紧凑大小(图1A)和较低的可移动元件含量——仅为10-15%,而哺乳动物中这一比例为40-50%(图1B)。这种紧凑的基因组为研究基因功能和组织结构提供了宝贵机会(Abe and Gemmell, 2014; Beauclair et al., 2019; Azambuja and Simoes-Costa, 2021; Pan et al., 2023; Merkuri et al., 2024)。测序技术和组装质量的持续改进为研究界提供了丰富的基因组和转录组资源(Bush et al., 2018; Pan et al., 2023; Degalez et al., 2024)。将多种基因组技术应用于鸡模型,促进了关于基因调控、染色质结构以及发育过程进化保守性的全面研究。在这篇综述中,我们探讨了鸡基因组的各个方面,包括其结构和组织、用于功能基因分析的工具箱、表观遗传学研究的进展,以及它对我们理解鸡胚胎发育期间基因调控的重要性。

章节摘录

鸡的核型

鸡的基因组单倍体含量为1.1 Gb(最新版本见https://www.ncbi.nlm.nih.gov/datasets/genome/GCF_016699485.2/),由超过39条染色体组成(2n=78),这些染色体通常分为三类:大染色体、小染色体和点染色体(图2)。大染色体的大小从23到200兆碱基对(Mb)不等,而小染色体平均只有12 Mb,最小的约为3 Mb(Hillier et al., 2004)。

绘制染色质图谱

理解发育过程中的基因组调控不仅涉及分析基因序列和转录产物,还需要全面考察染色质结构。染色质修饰以及蛋白质与DNA的相互作用在决定不同细胞类型和发育阶段哪些基因组区域处于活跃或抑制状态方面起着关键作用。基因组技术已应用于鸡胚胎,使我们能够绘制染色质图谱,从而

结论

基因组时代从根本上扩展了我们可以对鸡胚胎提出的研究要求。那些使其在经典发育生物学中不可或缺的特性,包括外部发育、精确的分期能力以及在完整活体胚胎中操作特定区域的能力,在基因组尺度上的研究中同样具有优势。实验的可操作性和基因组的易处理性在这里相互强化,这种优势在其他系统中难以复制:空间靶向

CRediT作者贡献声明

Marcos Simoes-Costa:撰写——综述与编辑;撰写——初稿。Nagif Alata Jimenez:撰写——初稿

未引用的参考文献

Hillier et al.,; Malpighi, 1673; Sim?es-Costa and Bronner, 2015; Wu et al., 2024.

致谢

我们感谢Ana Azambuja博士提出的宝贵建议,这些建议有助于改进手稿的质量。
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