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脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育是受到嚴(yán)格時(shí)空調(diào)控的動(dòng)態(tài)過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，細(xì)胞會(huì)受到轉(zhuǎn)錄因子，信號(hào)通路，細(xì)胞外基質(zhì)等多種因素的共同影響，從而導(dǎo)致細(xì)胞在短時(shí)間發(fā)生基因表達(dá)和細(xì)胞狀態(tài)的劇烈改變，并走向不同的命運(yùn)，推動(dòng)胚胎發(fā)育進(jìn)程。因此，系統(tǒng)性的探究在不同時(shí)空緯度上，這些調(diào)控因子是如何互作以及共同作用，以完成對(duì)胚胎發(fā)育嚴(yán)格且精密的控制是解析胚胎發(fā)育的重要途徑。雖然以往的研究已經(jīng)從單細(xì)胞層面揭示了胚胎發(fā)育的調(diào)控全景，但是受限于技術(shù)問(wèn)題，還沒(méi)有研究能夠結(jié)合基因表達(dá)的空間信息對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行一個(gè)更加全面的探索。

2022年5月4日，深圳華大生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院劉龍奇課題組、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)董志強(qiáng)課題組在國(guó)際權(quán)威期刊Developmental Cell在線發(fā)表題為“Spatiotemporal mapping of gene expression landscapes and developmental trajectories during zebrafish embryogenesis”的研究論文。該研究利用Stereo-seq時(shí)空組學(xué)技術(shù)，結(jié)合多切片策略，在超高分辨率的背景下首次繪制了斑馬魚胚胎受精后24h內(nèi)6個(gè)關(guān)鍵發(fā)育時(shí)間點(diǎn)的時(shí)空轉(zhuǎn)錄圖譜，以及具有空間信息的發(fā)育軌跡，為科學(xué)家進(jìn)一步探究胚胎發(fā)生中細(xì)胞的時(shí)空變化提供了一個(gè)開放的數(shù)據(jù)庫(kù)和理論支持。

該研究選取了斑馬魚早期胚胎發(fā)育中6個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)（3.3, 5.25, 10, 12, 18, 24 hpf）進(jìn)行 Stereo-seq 測(cè)序，在10 μm（bin 15, 200*200 DNB，相當(dāng)于1個(gè)細(xì)胞直徑）的分辨率下繪制斑馬魚胚胎發(fā)育的時(shí)空轉(zhuǎn)錄圖譜。在超高分辨率的背景下，通過(guò)對(duì)不同組織進(jìn)一步的細(xì)致分群以及結(jié)合不同區(qū)域的marker基因，在空間位置上，對(duì)相鄰組織或是同一組織不同區(qū)域和不同細(xì)胞類型進(jìn)行了明確的區(qū)域劃分，并發(fā)現(xiàn)了一些類群潛在的marker基因，以及探究了24hpf胚胎的后腦中不同分化狀態(tài)的神經(jīng)干細(xì)胞具有的空間分布特點(diǎn)。同時(shí)還通過(guò)空間基因模塊揭示了不同空間區(qū)域之間，如相同來(lái)源的不同組織或位置臨近的不同組織之間的互作關(guān)系和關(guān)鍵調(diào)控因子，并通過(guò)不同模塊之間的互作分析發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子 sox10 對(duì)neural crest分化具有重要調(diào)控作用。

除此之外，為了更精確地描繪胚胎發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞分化軌跡，此研究選取了和時(shí)空轉(zhuǎn)錄組同樣的6個(gè)時(shí)間點(diǎn)的斑馬魚胚胎進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，通過(guò) SPOTlight 將 scRNA-seq 的結(jié)果映射到 Stereo-seq 后，獲得了斑馬魚胚胎發(fā)育中細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變和分子變化的時(shí)空發(fā)育軌跡，從而發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞空間微環(huán)境和細(xì)胞命運(yùn)走向之間的關(guān)系。由于在胚胎發(fā)育過(guò)程中，受體-配體對(duì)的互作發(fā)揮了重要的功能，該研究通過(guò)計(jì)算6個(gè)時(shí)間點(diǎn)中不同受體-配體對(duì)之間的相對(duì)距離，對(duì)斑馬魚胚胎發(fā)育中可能存在互作的受體-配體對(duì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，挖掘出一些潛在的互作關(guān)系以及他們?cè)诎l(fā)育中的動(dòng)態(tài)變化，如發(fā)育中與 mdka 配體互作的潛在受體。最后因?yàn)镹otch信號(hào)通路對(duì)斑馬魚胚胎發(fā)育具有重要功能，該研究以Notch為例，描述了Notch配體-受體對(duì)的動(dòng)態(tài)變化，并通過(guò)空間基因模塊和GO分析，解析在不同時(shí)期Notch對(duì)不同組織發(fā)育的調(diào)控過(guò)程。

圖1 利用Stereo-seq（左）和scRNA-seq（右）技術(shù)，繪制斑馬魚胚胎發(fā)育的時(shí)空轉(zhuǎn)錄圖譜和細(xì)胞的時(shí)空分化軌跡。

綜上所述，該研究利用Stereo-seq空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，以受精后24h之內(nèi)6個(gè)時(shí)間點(diǎn)的斑馬魚胚胎為研究對(duì)象，首次繪制了斑馬魚胚胎發(fā)育的空間轉(zhuǎn)錄圖譜，并結(jié)合scRNA-seq構(gòu)建了細(xì)胞分化時(shí)空軌跡。該研究為探索脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育提供了一個(gè)可供參考的開放數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠用來(lái)從不同維度解析胚胎的早期發(fā)育過(guò)程。

深圳華大生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院劉龍奇教授，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)董志強(qiáng)教授，深圳華大生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院徐訊教授為本文共同通訊作者，深圳華大生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院劉暢，李睿，李楊，林秀妹，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)趙愷晨，青島華大劉群為共同第一作者。該研究所用斑馬魚為來(lái)自國(guó)家水生生物種質(zhì)資源庫(kù)國(guó)家斑馬魚資源中心所提供的標(biāo)準(zhǔn)AB野生型品系。