胚胎发育时空编程与动态调控规律

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       生命构建始于胚胎发育，其正常发生是生命健康的前提。全面系统地理解胚胎发育调控是生命科学最重要、最富挑战性的基础科学问题之一，也为理解发育疾病和实现基于细胞命运操控的细胞治疗奠定理论基础。胚胎发育高度复杂，具有很高的细胞的动态性、调控的多样性、微环境依赖性，因此，若不能实现在活体条件下开展连续、动态和高分辨的解析，发育研究的精准化和系统化重大需求将难以满足。本研究组以秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)为高效模型，致力于建立发育调控的活体原位研究新方法，以此开展系统水平和多维度的研究，探索胚胎时空编程和动态调控规律。

       研究组建立并发展了一个融合活体基因标记、高时空分辨成像、自动化细胞追踪和单细胞定量分析为一体的研究体系，实现了非损伤地记录胚胎发育全过程，辨别各个细胞身份、并实时探测细胞的多方面调控过程(我们称之为“4D数字发育”)。该体系实现了在分钟和单细胞的时空精度，全景式解析各个胚胎细胞的发育动态调控过程，推动了发育调控的活体、原位解析。在此基础上，我们正在致力于进一步提升研究方法的广度和深度，实现可解析成千上万个胚胎，分析多个调控过程，从分子、细胞和系统水平解析胚胎发育的调控规律。

更新日期：2023年9月

   

071008-发育生物学
071007-遗传学
071021-生物信息学

发育功能基因组学，细胞命运决定调控机制，发育基因表达调控

2009-06--2015-01   Memorial Sloan Kettering Cancer Center   博士后
2008-09--2009-06   Albert Einstein College of Medicine   博士后
2003-09--2008-06   中国农业大学   博士

分子遗传学
文献阅读
高级分子遗传学

* Corresponding Author

Defect-buffering cellular plasticity increases robustness of metazoan embryogenesis.
Xiao L, Fan D, Qi H, Cong Y, Du Z*.
Cell Systems. 2022 Aug 17;13(8):615-630.e9.
─揭示胚胎细胞在遗传干扰条件下具有适应可塑性，可通过校正、协调、容受表型异常，增强发育稳固性。

A 4D single-cell protein atlas of transcription factors delineates spatiotemporal patterning during embryogenesis.
Ma X^#, Zhao Z^#, Xiao L^#, Xu W, Kou Y, Zhang Y, Wu G, Wang Y, Du Z^*.
Nature Methods. 2021 Aug;18(8):893-902.

• Highlighted by a News & Views article in Nature Methods. https://doi.org/10.1038/s41592-021-01219-y
• Cover story
• 被Genomics Proteomics & Bioinformatics杂志评选为“2021年度中国生物信息学十大进展”

─绘制转录因子单细胞4D蛋白动态表达图谱，初步揭示细胞命运图式建立及分化状态转变的调控规律。

Single-cell dynamics of chromatin activity during cell lineage differentiation in Caenorhabditis elegans embryos.
Zhao Z^#, Fan R^#, Xu W, Kou Y, Wang Y, Ma X, Du Z^*.
Molecular Systems Biology. 2021 Apr;17(4):e10075.
─在单细胞精度和基因组尺度解析染色质活性及其多种发育动态变化基本模式。 

Multivariable regulation of gene expression plasticity in metazoans.
Xiao L^#, Zhao Z^#, He F*, Du Z*.
Open Biology. 2019 Dec;9(12):190150.
─揭示了顺式作用元件和组蛋白修饰调控基因表达的可塑性。
 
Lineage context switches the function of a C. elegans Pax6 homolog in determining a neuronal fate.
Brandt JP, Rossillo M, Du Z, Ichikawa D, Barnes K, Chen A, Noyes M, Bao Z, Ringstad N*.
Development. 2019 Apr 15;146(8).

Systems properties and spatiotemporal Regulation of cell position variability during embryogenesis.
Li X^#, Zhao Z^#, Xu W, Fan R, Xiao L, Ma X, Du Z*.
Cell Reports 2019 Jan 8;26(2):313-321.e7.
─揭示了细胞表型变异的发育时空特异性。

mTOR regulates phase separation of PGL granules to modulate their autophagic degradation.
Zhang G, Wang Z, Du Z, Zhang H*.
Cell. 2018 Sep 6;174(6):1492-1506

Trans-splicing enhances translational efficiency in C. elegans.
Yang YF, Zhang X, Ma X, Zhao T, Sun Q, Huan Q, Wu S, Du Z*, Qian W*.
Genome Research. 2017 Sep;27(9):1525-1535.
─揭示mRNA反式剪接增强蛋白翻译效率。
 
Digital Development: A database of C. elegans cell lineage differentiation with lineage phenotypes, cell-specific gene functions and a multiscale model.
Santella A, Kovacevic I, Herndon L Hall D, Du Z*, Bao Z*. 
Nucleic Acids Research. 2016 Jan 4;44(D1):D781-5.
─构建细胞谱系分化的表型组学数据库。  

The Regulatory Landscape of lineage differentiation in a metazoan embryo.
Du Z*, Santella A, He F, Shah PK, Kamikawa Y, Bao Z*.
Developmental Cell. 2015 2015 Sep 14;34(5):592-607. (Free Featured Article)
─揭示进化保守必需基因对细胞谱系分化的多维度调控。  
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POS-1 promotes endo-mesoderm development by inhibiting the cytoplasmic polyadenylation of neg-1 mRNA.
Elewa A, Shirayama M, Kaymak E, Harrison PF, Powell DR, Du Z, Chute CD, Woolf H, Yi D, Ishidate T, Srinivasan J, Bao Z, Beilharz TH, Ryder SP, Mello CC*
Developmental Cell. 2015 Jul 6;34(1):108-18. Recommend by F1000
 
E3 ubiquitin ligases promote progression of differentiation during C. elegans embryogenesis.
Du Z, He F, Yu Z, Bowerman B, Bao Z*.
Developmental Biology. 2015 Feb 15;398(2):267-79.
─揭示泛素化蛋白降解促进细胞分化状态转变。  

De novo inference of systems-level mechanistic models of development from live imaging-based phenotype analysis.
Du Z, Stantella A., He F., Tiongson M, Bao Z*.
Cell. 2014 Jan 16;156(1-2):359-72.
─建立细胞发育命运解析方法，实现了高通量解析细胞命运抉择的调控模型。

 
Systematic quantification of developmental phenotypes at single-cell resolution during embryogenesis.
Moore JL, Du Z, Bao Z*.
Development. 2013 Aug;140(15):3266-74.
─建立线虫胚胎发育单细胞表型定量分析方法。 

Inverted selective plane illumination microscopy (iSPIM) enables coupled cell identity lineaging and neurodevelopmental imaging in Caenorhabditis elegans.
Wu Y*, Ghitani A, Christensen R, Santella A, Du Z, Rondeau G, Bao Z, Colón-Ramos D, Shroff H.
Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 2011 Oct 25;108(43):17708-13. Recommend by F1000

Single-molecule analysis reveals changes in the DNA replication program for the POU5F1 locus upon human embryonic stem cell differentiation.
Schultz SS, Desbordes SC, Du Z, Kosiyatrakul S, Lipchina I, Studer L, Schildkraut CL*.
Molecular Cellular Biology. 2010 Sep;30(18):4521-34.
 
Genome-wide colonization of gene regulatory elements by G4 DNA motifs. 
Du Z, Zhao Y, Li N*.
Nucleic Acids Research. 2009 Nov;37(20):6784-98.
─预测G4 DNA是一类广谱性调控基因转录的结构性元件。  

Genome-wide analysis reveals regulatory role of G4 DNA in gene transcription.
Du Z, Zhao Y, Li N*.
Genome Research. 2008 Feb;18(2):233-41. (Highlighted on Cover)

─预测转录起始位点下游G4 DNA结构元件促进基因转录。

 

已指导学生

樊蓉  博士研究生  071008-发育生物学  

李小雨  硕士研究生  085238-生物工程  

肖龙  博士研究生  071008-发育生物学  

徐伟娜  博士研究生  071008-发育生物学  

寇雅慧  硕士研究生  071008-发育生物学  

赵志广  博士研究生  0710J3-生物信息学  

范渡长江  博士研究生  0710J3-生物信息学  

张昊烨  硕士研究生  071009-细胞生物学  

现指导学生

丛俞林  博士研究生  071008-发育生物学  

周子欣  博士研究生  071008-发育生物学  

孙小涵  硕士研究生  071007-遗传学  

刘瑾仪  博士研究生  071008-发育生物学  

杨淼泠  博士研究生  071008-发育生物学  

白宇川  博士研究生  071008-发育生物学