ZebrafishAdvance | 劉龍奇/董志強/徐迅利用時空組學(xué)技術(shù)繪制斑馬魚胚胎發(fā)生的轉(zhuǎn)錄組圖譜和發(fā)育軌跡
? ? ? 脊椎動物胚胎發(fā)育是受到嚴格時空調(diào)控的動態(tài)過程。在這個過程中，細胞會受到轉(zhuǎn)錄因子，信號通路，細胞外基質(zhì)等多種因素的共同影響，從而導(dǎo)致細胞在短時間發(fā)生基因表達和細胞狀態(tài)的劇烈改變，并走向不同的命運，推動胚胎發(fā)育進程。因此，系統(tǒng)性的探究在不同時空緯度上，這些調(diào)控因子是如何互作以及共同作用，以完成對胚胎發(fā)育嚴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)問題，還沒有研究能夠結(jié)合基因表達的空間信息對這一過程進行一個更加全面的探索。
? ? ? 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)董志強課題組在國際權(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個關(guān)鍵發(fā)育時間點的時空轉(zhuǎn)錄圖譜，以及具有空間信息的發(fā)育軌跡，為科學(xué)家進一步探究胚胎發(fā)生中細胞的時空變化提供了一個開放的數(shù)據(jù)庫和理論支持。
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? ? 該研究選取了斑馬魚早期胚胎發(fā)育中6個關(guān)鍵時間點（3.3, 5.25, 10, 12, 18, 24 hpf）進行 Stereo-seq 測序，在10 μm（bin 15, 200*200 DNB，相當(dāng)于1個細胞直徑）的分辨率下繪制斑馬魚胚胎發(fā)育的時空轉(zhuǎn)錄圖譜。在超高分辨率的背景下，通過對不同組織進一步的細致分群以及結(jié)合不同區(qū)域的marker基因，在空間位置上，對相鄰組織或是同一組織不同區(qū)域和不同細胞類型進行了明確的區(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)干細胞具有的空間分布特點。同時還通過空間基因模塊揭示了不同空間區(qū)域之間，如相同來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，并通過不同模塊之間的互作分析發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子 sox10 對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)育過程中的細胞分化軌跡，此研究選取了和時空轉(zhuǎn)錄組同樣的6個時間點的斑馬魚胚胎進行單細胞轉(zhuǎn)錄組測序，通過 SPOTlight 將 scRNA-seq 的結(jié)果映射到 Stereo-seq 后，獲得了斑馬魚胚胎發(fā)育中細胞命運轉(zhuǎn)變和分子變化的時空發(fā)育軌跡，從而發(fā)現(xiàn)了細胞空間微環(huán)境和細胞命運走向之間的關(guān)系。由于在胚胎發(fā)育過程中，受體-配體對的互作發(fā)揮了重要的功能，該研究通過計算6個時間點中不同受體-配體對之間的相對距離，對斑馬魚胚胎發(fā)育中可能存在互作的受體-配體對進行預(yù)測，挖掘出一些潛在的互作關(guān)系以及他們在發(fā)育中的動態(tài)變化，如發(fā)育中與 mdka 配體互作的潛在受體。最后因為Notch信號通路對斑馬魚胚胎發(fā)育具有重要功能，該研究以Notch為例，描述了Notch配體-受體對的動態(tài)變化，并通過空間基因模塊和GO分析，解析在不同時期Notch對不同組織發(fā)育的調(diào)控過程。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1 利用Stereo-seq（左）和scRNA-seq（右）技術(shù)，繪制斑馬魚胚胎發(fā)育的時空轉(zhuǎn)錄圖譜和細胞的時空分化軌跡。
? ? ? 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個時間點的斑馬魚胚胎為研究對象，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)建了細胞分化時空軌跡。該研究為探索脊椎動物胚胎發(fā)育提供了一個可供參考的開放數(shù)據(jù)庫，能夠用來從不同維度解析胚胎的早期發(fā)育過程。
? ? ? 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自國家水生生物種質(zhì)資源庫國家斑馬魚資源中心所提供的標準AB野生型品系。
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