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科研进展

ZebrafishAdvance | 刘龙奇/董志强/徐迅利用时空组学技术绘制斑马鱼胚胎发生的转录组图谱和发育轨迹

访问次数:发布日期:2022-06-19

      脊椎动物胚胎发育是受到严格时空调控的动态过程。在这个过程中,细胞会受到转录因子,信号通路,细胞外基质等多种因素的共同影响,从而导致细胞在短时间发生基因表达和细胞状态的剧烈改变,并走向不同的命运,推动胚胎发育进程。因此,系统性的探究在不同时空纬度上,这些调控因子是如何互作以及共同作用,以完成对胚胎发育严格且精密的控制是解析胚胎发育的重要途径。虽然以往的研究已经从单细胞层面揭示了胚胎发育的调控全景,但是受限于技术问题,还没有研究能够结合基因表达的空间信息对这一过程进行一个更加全面的探索。


      2022年5月4日,深圳华大生命科学技术学院刘龙奇课题组、华中农业大学董志强课题组在国际权威期刊Developmental Cell在线发表题为“Spatiotemporal mapping of gene expression landscapes and developmental trajectories during zebrafish embryogenesis”的研究论文。该研究利用Stereo-seq时空组学技术,结合多切片策略,在超高分辨率的背景下首次绘制了斑马鱼胚胎受精后24h内6个关键发育时间点的时空转录图谱,以及具有空间信息的发育轨迹,为科学家进一步探究胚胎发生中细胞的时空变化提供了一个开放的数据库和理论支持。


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    该研究选取了斑马鱼早期胚胎发育中6个关键时间点(3.3, 5.25, 10, 12, 18, 24 hpf)进行 Stereo-seq 测序,在10 μm(bin 15, 200*200 DNB,相当于1个细胞直径)的分辨率下绘制斑马鱼胚胎发育的时空转录图谱。在超高分辨率的背景下,通过对不同组织进一步的细致分群以及结合不同区域的marker基因,在空间位置上,对相邻组织或是同一组织不同区域和不同细胞类型进行了明确的区域划分,并发现了一些类群潜在的marker基因,以及探究了24hpf胚胎的后脑中不同分化状态的神经干细胞具有的空间分布特点。同时还通过空间基因模块揭示了不同空间区域之间,如相同来源的不同组织或位置临近的不同组织之间的互作关系和关键调控因子,并通过不同模块之间的互作分析发现转录因子 sox10 对neural crest分化具有重要调控作用。


      除此之外,为了更精确地描绘胚胎发育过程中的细胞分化轨迹,此研究选取了和时空转录组同样的6个时间点的斑马鱼胚胎进行单细胞转录组测序,通过 SPOTlight 将 scRNA-seq 的结果映射到 Stereo-seq 后,获得了斑马鱼胚胎发育中细胞命运转变和分子变化的时空发育轨迹,从而发现了细胞空间微环境和细胞命运走向之间的关系。由于在胚胎发育过程中,受体-配体对的互作发挥了重要的功能,该研究通过计算6个时间点中不同受体-配体对之间的相对距离,对斑马鱼胚胎发育中可能存在互作的受体-配体对进行预测,挖掘出一些潜在的互作关系以及他们在发育中的动态变化,如发育中与 mdka 配体互作的潜在受体。最后因为Notch信号通路对斑马鱼胚胎发育具有重要功能,该研究以Notch为例,描述了Notch配体-受体对的动态变化,并通过空间基因模块和GO分析,解析在不同时期Notch对不同组织发育的调控过程。


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                        图1 利用Stereo-seq(左)和scRNA-seq(右)技术,绘制斑马鱼胚胎发育的时空转录图谱和细胞的时空分化轨迹。

      综上所述,该研究利用Stereo-seq空间转录组技术,以受精后24h之内6个时间点的斑马鱼胚胎为研究对象,首次绘制了斑马鱼胚胎发育的空间转录图谱,并结合scRNA-seq构建了细胞分化时空轨迹。该研究为探索脊椎动物胚胎发育提供了一个可供参考的开放数据库,能够用来从不同维度解析胚胎的早期发育过程。


      深圳华大生命科学技术学院刘龙奇教授,华中农业大学董志强教授,深圳华大生命科学技术学院徐讯教授为本文共同通讯作者,深圳华大生命科学技术学院刘畅,李睿,李杨,林秀妹,华中农业大学赵恺晨,青岛华大刘群为共同第一作者。该研究所用斑马鱼为来自国家水生生物种质资源库国家斑马鱼资源中心所提供的标准AB野生型品系。


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