以亚细胞分辨率绘制整个胚胎地图

生命蓝图，在空间和时间中解读

理解单个受精卵如何产生出成熟有机体中数百种细胞类型——每种细胞在正确的位置、正确的发育阶段表达正确的基因——这一直是一个多世纪以来发育生物学的中心问题。这个问题不仅在科学上意义深远，在医学上也至关重要：大多数发育障碍、先天性畸形和许多癌症都源于在胚胎发生过程中控制基因何时何地表达的分子程序中的错误。

研究发育过程中基因表达的传统方法需要将胚胎解离成单细胞，这样会破坏指定哪个细胞在哪里以及其邻近细胞在做什么的空间信息。单细胞RNA测序通过在单细胞分辨率下进行表达谱分析改变了这一领域，但在组织解离过程中空间维度丧失了。新一代空间转录组学技术一直在恢复这种空间信息，但通常分辨率无法区分相邻细胞，更不用说解析单个细胞内的结构了。

本周发表在《科学》杂志上的一项研究报告了一项突破：全胚胎空间转录组学亚细胞分辨率分析，捕获从原肠胚形成期到主要器官系统形成的整个发育胚胎中的基因表达。

技术成就

研究团队开发的方法论采用原位测序方法，在保留组织结构的同时，在细胞内精确的空间位置读取RNA分子。与在组织切片后在图案化阵列上捕获转录本的技术不同，这种方法直接在组织内检测和测序RNA分子，维持每个检测到的转录本的细胞和亚细胞空间背景。

在亚细胞分辨率下，可以观察到的不仅是细胞表达的基因，还有这些转录本在细胞内的定位。RNA定位是一个基本的调控机制：许多转录本靶向特定的细胞区室——上皮细胞的顶端或基部表面、迁移细胞的前缘、神经元的树突——这些地方的转录本被局部翻译以产生需要在该处发挥功能的蛋白质。捕获这个空间维度提供了关于细胞极性、定向细胞迁移和组织边界形成的机制信息，这在之前的此规模下是无法获取的。

图谱揭示的内容

应用于在原肠胚形成到器官发生期的发育胚胎——胚胎建立其三层身体计划并开始形成可识别的器官前体的时期——这种技术生成了一个内容极为丰富的数据集。所得图谱在多个发育时间点上绘制了胚胎中每个细胞中数千个基因的表达，包含捕获胚胎三维解剖结构和单个细胞内部组织的空间坐标。

数据揭示了一种细胞类型向另一种细胞类型转变的精确分子边界、在发育中的组织中提供位置信息的基因表达梯度，以及细胞通过诱导和分化事件时发育程序的顺序激活。从图谱中出现的几项发现未被现有模型预测：形成中的神经管中意外的基因表达域、组织边界处未曾表征的细胞群落，以及标记特定器官类型最早前体的新型转录因子组合。

在发育生物学和医学中的应用

直接的科学应用是作为该领域的参考图谱——其他研究人员可以使用的全面数据集来解释他们关于特定基因、细胞类型或发育事件的发现。发育生物学在个别基因发生突变或表达异常时所发生情况的观察已经积累了数十年，但解释这些观察需要了解这些基因表达的正常空间和时间背景。该图谱以前所未有的分辨率提供了这一背景。

在医学上，最重要的应用很可能来自使用该图谱来解释人类发育障碍。许多先天性疾病涉及过程中的细微缺陷——神经化、体节生成、心脏发生——这些过程在图谱捕获的胚胎阶段中得到了体现。将正常的基因表达图景与在有与先天性疾病相关的突变的模式生物中发生的情况进行比较，可以确定出错的分子事件，并可能提示干预点。

技术可访问性和未来方向

空间转录组学已经从专业研究工具发展到广泛可获得的平台技术，这是由包括10x Genomics和Vizgen在内的公司的商业开发所推动的。本研究报告的全胚胎亚细胞方法代表了一项尚未成为常规的高端实现，但随着相关仪器和试剂的成熟，其基本原理与更广泛的采用兼容。未来方向包括将图谱扩展到后期发育阶段、将该技术应用于人类胚胎类器官，以及使用空间分辨表达数据作为计算模型的训练集，这些模型可以预测发育程序如何响应遗传或环境扰动。

本文基于《科学》杂志(AAAS)的报道。阅读原始文章。