【学术前沿】景乃禾/韩敬东/彭广敦等合作绘制小鼠...

本文原标题：《【学术前沿】景乃禾/韩敬东/彭广敦等合作绘制小鼠早期胚胎发育全胚层谱系发生时空转录组图谱》

生命作为自然最美的杰作，其诞生过程令人着迷。在早期胚胎发育阶段，受精卵通过细胞增殖和细胞分化形成囊胚；囊胚在子宫着床后经过原肠运动（Gastrulation）形成外、中、内三个胚层。外胚层将发育成机体的神经、皮肤等组织，中胚层将发育成心脏、血液、肌肉和骨骼等组织，而内胚层则发育成肺、肝、胰腺和肠等内脏器官。因此，外、中、内三胚层的形成过程对于胚胎发育的正常进行十分重要，并影响胎儿是否能够顺利从母体诞生。正如英国著名发育生物学家LewisWolpert所说：“人生最重要的阶段不是出生和结婚，甚至不是死亡，而是原肠运动。”原肠运动在进化上非常保守，其机制受到精细而严谨的调控，是最为引人入胜的发育生物学过程。

通过经典的细胞标记移植和谱系追踪等方法，发育生物学家在上世纪八九十年代已经初步建立了小鼠胚胎的细胞命运图谱。这些研究发现，细胞的空间位置对于细胞命运具有重要的影响。例如，各胚层的前体细胞在原肠胚形成之前的上胚层中具有特定的空间区域，而当原肠运动完成后，前端外胚层细胞将按照头尾（Cranio－caudal）的次序，发育为大脑及脊髓等具有严谨前后次序的中枢神经系统。然而小鼠早期胚胎发育、特别是原肠运动时期的胚层谱系建立及细胞命运决定的分子机制尚不清晰，亟需从时间和空间尺度，在全基因组层面阐释其调控关系。

2019年8月8日，中科院分子细胞科学卓越创新中心/生物化学与细胞生物学研究所景乃禾课题组、中科院-马普学会计算生物学伙伴研究所韩敬东课题组与中科院广州生物医药与健康研究院/广州再生医学与健康广东省实验室彭广敦课题组共同合作在Nature在线发表了题为Moleculararchitectureoflineageallocationandtissueorganizationinearlymouseembryo的最新研究成果。该研究首次构建了小鼠早期胚胎着床后发育时期高分辨率时空转录组图谱，揭示了小鼠胚胎多能干细胞的分子谱系和多能性在时间和空间上的动态变化及其调控网络，并首次从分子层面揭示了内胚层（Endoderm）谱系在上胚层（Epiblast）产生前新的谱系来源，阐释了Hippo/Yap信号通路在早期胚胎发育期间参与内胚层发育的重要功能。这项工作为理解胚层谱系建立及多能干细胞的命运调控机制，提供了翔实的数据和崭新的思路，是对经典发育生物学层级谱系理论的重大修正和补充，将极大推动早期胚胎发育和干细胞再生医学相关领域的发展。

虽然单细胞转录组分析可以重建胚胎细胞的发育轨迹，但缺乏真实的空间信息，无法将发育调控过程中的时间和空间信息联合分析，而细胞在早期胚胎中的空间位置对其发育分化命运又是至关重要的。为解决这一难题，景乃禾课题组及其合作团队多年来在这一领域深耕，建立了一种基于激光显微切割的低起始量空间转录组分析方法（）（Geo-seq）【5】，并首先完成了原肠运动中期外胚层的三维空间分子图谱【6】。进一步利用该技术对小鼠早期胚胎发育多个时期（E5.5、E6.0、E6.5、E7.0和E7.5）的外、中、内三个胚层构建空间转录组，建立起百科全书式全基因组的时空表达数据库（http://egastrulation.sibcb.ac.cn/）。此数据库实现了小鼠早期胚胎所有表达基因高分辨率的数字化原位杂交图谱，可供其他研究者查询和分析基因的三维表达模式、共表达关系以及根据特征表达模式检索基因等。这是目前国际上关于小鼠原肠运动时期最全面、最完整的交互性时空转录组数据库。

为揭示不同时期、不同空间位置的胚胎细胞在胚层谱系上的联系，研究人员借鉴更具生物学意义、更加稳健的SCENIC数据分析方法【7】，结合着床前胚胎的转录组数据，将发育过程中最重要的时间和空间信息联合分析，构建了小鼠早期胚胎发育过程的系统发生树，并从分子层面重构了胚层谱系的发生过程。发育生物学的传统观点认为，内胚层主要由原肠运动过程中原条迁移出来的细胞构成。而这一研究的最新发现是，内胚层细胞可能很早就发生细胞命运特化，三胚层谱系建成时的内胚层与原始内胚层之间存在更紧密的联系。同时发现，部分外胚层和中胚层具有共同的前体细胞。这将指导发育生物学研究人员进一步通过谱系追踪等遗传学方法，研究胚层谱系建立和细胞命运决定，促进干细胞生物学研究人员对神经外胚层多能干细胞的研究，完善体外肝细胞、胰岛B细胞和脊髓神经细胞等器官前体细胞的分化体系，推动细胞治疗和药物筛选工作的发展。

为了探索胚层谱系建立过程中的关键信号分子，研究者进行了信号通路富集分析。结合功能实验，首次发现Hippo/Yap信号通路在内胚层谱系发生过程中具有重要作用。同时也找到了许多在胚层谱系发生过程中关键的转录因子。这项工作系统全面地绘制了早期胚胎发育过程中，谱系建立的关键信号调控网络，这将大大推动发育生物学和干细胞生物学对细胞命运抉择的认识，加深对生命运行机制的理解。

据悉，本研究主要由中国科学院分子细胞科学卓越创新中心/生物化学与细胞生物学研究所景乃禾课题组、中国科学院-马普学会计算生物学伙伴研究所韩敬东课题组与中国科学院广州生物医药与健康研究院/广州再生医学与健康广东省实验室彭广敦课题组共同合作完成。彭广敦研究员、索生宝博士、崔桂忠博士和禹方博士为该论文的共同第一作者，景乃禾研究员、韩敬东研究员和彭广敦研究员为该论文的共同通讯作者。

专家点评

小鼠胚胎着床后，来自多能性内细胞团的上胚层伴随细胞谱系特化逐渐形成三个胚层（外胚层、中胚层、和内胚层），从而贡献后续整个胚胎所有器官的发育。近年来单细胞高通量转录组测序技术被广泛应用于哺乳动物早期围着床时期胚胎发育研究。基于这一技术突破，使得人们有机会从全基因组范围内和单细胞、单碱基的极限分辨率理解胚胎谱系特化过程中的分子表达规律和潜在调控机制。然而虽然能从单细胞分辨率理解细胞的基因表达特征，但这类技术因为首先需要将胚胎组织随机打散制备成单细胞悬液，随后针对单个细胞进行后续操作和文库建立，从而使得细胞在原位胚胎组织中的空间排布信息丧失了。中科院生化细胞所景乃禾实验室多年来致力于开发和利用保留细胞空间排布信息的转录组测序分析手段（Chenetal,NatureProtocols,2017），不断解析哺乳动物原肠胚发育时期基因表达时空转移特征，极大启发了对哺乳动物胚胎发育调控机制的研究（Pengetal,DevelopmentalCell,2016）。

8月8日，Nature在线发表了题为“Moleculararchitectureoflineageallocationandtissueorganizationinearlymouseembryo”论文，景乃禾课题组与韩敬东课题组合作利用含有准确时空信息的测序分析技术（Geo-seq），系统揭示了小鼠原肠胚发育阶段的原位转录组表达谱，从发育时间和胚胎组织三维空间共四个维度阐述了谱系特化过程中的分子调控规律以及多能性转变过程。深度分析提示Hippo–Yap信号参与调控了胚层发育，而内脏内胚层（visceralendoderm）直接贡献胚胎内胚层（endoderm）的形成。

该研究中，作者们首先发现在非监督聚类分析中时空特异性的转录组特征的确能体现出早期胚胎发育过程中的发育连续性路径。传统观点认为标准的胚胎内胚层主要来源于原条，本文分析结果则提示原肠胚阶段胚胎内胚层的转录组特征与原始内胚层/内脏内胚层更为相似。而位于远端的中胚层组织则呈现出与相邻内胚层（外胚胎来源的内胚层）相似的基因表达特征。随后研究者们分析预测了潜在调控谱系特化的关键转录因子，并利用体外胚胎干细胞系功能实验证实了被挑选的转录因子在多能性退出或者中胚层分化过程中有重要功能。

此外，结合时空转录组和单细胞转录组测序分析，作者们发现E7.0天胚胎近端和远端内胚层已经具有完全不同的转录组特征。与已报道谱系示踪研究结论吻合，时空特异性测序分析同样支持胚外来源细胞向胚胎内胚层状态的转变与融合。最后，整合测序分析线索与体外组织块培养等技术，作者们发现Hippo信号参与调控了早期内胚层的发育。

综上，时空转录组分析为挖掘潜在调控谱系特化的分子机制研究提供了全新的思路，尤其是结合了空间维度的分子表达谱将为阐明着床后胚胎谱系分化和形态发生的分子机制提供了关键线索。近年来包括景乃禾课题组在内的多个研究组报道了原位转录组测序技术（Pengetal,DevelopmentalCell,2016；Chee-Huatetal,Nature,2019；Wangetal,Science,2018；Moffittetal,PNAS,2016），该类技术结合原位杂交和测序手段，能在近乎全基因组范围内查看单细胞的原位基因表达谱。尽管在实验技术可操作性和后续数据分析上仍然存在一定的不确定性，但与当前时空转录组测序、谱系示踪等技术互补结合，如果未来应用于灵长类着床后胚胎发育研究上，将会在时空多维度上高精度地揭示胚胎发育过程中的基因表达谱和潜在的谱系命运调控机制。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1469-8

来源：BioArt