哺乳动物前期胚胎发育的奥妙 时空简讯26期

　　哺乳动物前期胚胎发育起始于卵子和的交融，继而构成全能性的受精卵。但关于受精卵怎么终究发育构成包含人在内的完好生物体，仍是当下生命科学范畴面对的难题之一。而单细胞测序、胚胎体外重构及有关技能的呈现，使得咱们逐步揭开了生命前期发育的奥秘面纱。在此，本期遴选了10篇有关人、小鼠、猪等胚胎发育、体外胚胎模型树立、类器官培育，以及有关技能东西类文章，这些文章发表于尖端期刊

　　① 运用sci-RNA-seq3，剖析了来自妊娠第9.5~13.5天的61个不同胚胎发育时期的小鼠胚胎（雄性31个，雌性30个），取得了2,058,652个单细胞转录组，体系性地制作了构成各种器官的细胞分解途径及每个途径中几万种基因的表达改变，对研讨哺乳动物包含人类胚胎发育和器官产生具有极端重大意义。

　　② 在创立的“小鼠器官产生细胞图谱”（mouse organogenesis cell atlas, MOCA; ）中，判定了超越500种细胞类型和56个发育亚轨道，每个亚轨道都由多个符号基因区别，而且基本上一起跨过了每个器官体系。

　　③ 关于Monocle3，引入了一个在相同标准上运转的轨道揣度的核算结构，并运用该结构探究了细胞类型中基因表达的动态改变和随时刻改变的轨道，包含对顶端外胚层嵴、肢体间充质（limb mesenchyme）和骨骼肌的要点剖析。（Eric_HU/Lina）

　　① 体系地量化了小鼠从胚胎发育的第10.5天（E10.5）到出世（P0）17个安排和器官的polyA-RNA，体系地制作了小鼠聚腺苷化RNA转录组图谱，该图谱是由动态细胞分解、体轴和细胞增殖基因构成的大局结构。

　　② 运用scRNA-seq（反转录成cDNA的测序）对安排水平的转录组进行解析，发现神经产生和造血在基因和细胞水平上都占主导地位，一起提醒了1/3分解基因的表达并承认了超越40%的细胞类型。

　　③ 整合启动子序列基序与ENCODE表观基因组谱，在神经元表达簇中发现了一个明显的启动子去按捺机制，该机制可归因于已知的和新的按捺因子。

　　④ 聚集于发育树，经过scRNA-seq数据辨认了包含祖细胞和核算揣度谱系联系的分解状况在内的25种候选细胞类型。

　　⑤ 运用scRNA-seq别离细胞类型的转录因子网络和候选增强子元件的互补集，解析了整合来自全安排表观基因组染色质数据中的顺式元件（IDEAS）模型。（吕玉琦/Lina）

　　① 猪原肠胚前期4个胚胎阶段：前期囊胚（E5~6）、晚期囊胚（E7~8）、球形胚胎（E10~11）、丝状胚胎（E12~13），共别离出301个单细胞，经过scRNA-seq检测到13,227个基因，构建了一个完好的猪胚胎发育前期（着床前）的单细胞全景，并跨物种比较提醒了种间差异，这有助于开发有用战略来克服人-猪低嵌合现象，然后在猪体内产生有功用活性的人体器官。

　　② 跨物种比较猪、人和山公不同发育阶段的外胚层（epiblast，EPI）转录组，提醒了参加前期、晚期EPI转化的许多通路的差异，承认了猪、人类和山公之间多能性谱的发育坐标。

　　③ 多能性相关的代谢、表观遗传和转录调控跨物种比较，发现在猪、人和山公的EPIs中，氧化磷酸化（OXPHOS）和糖酵解相关基因的表达形式总体上类似，并在EPI发育进程中判定了一些物种特异性的表观遗传调控因子和TFs/辅助因子。

　　④ EPIs膜相关基因跨物种比较，提醒了猪和人/猴EPIs之间与外表受体、细胞粘赞同细胞通讯相关基因表达形式的差异，这些差异或许会阻止供体人/猴细胞与宿主猪胚胎细胞之间的正确辨认和通讯，导致供体细胞在跨物种嵌合体中的整合和存活率较低。

　　⑤ 不同发育阶段（Pre-TE和Post-TE）的TE谱系（TE lineages），如钙粘蛋白和猪胚胎伸长等相关基因转录组跨物种比较，发现人类与山公Post-TEs更类似，进一步剖析发现，与人/山公比较，猪胚胎在着床前发育阶段中的伸长（elongation）具有轴突伸长的部分分子特征。（杨博林）

　　① 对120 h时刻点的100个类原肠胚scRNA-seq剖析，取得25,202个细胞（13种细胞类型），并与E8.5小鼠胚胎scRNA-seq数据集比较，一起结合空间转录组（tomo-seq，RNA断层扫描）剖析E8.5小鼠胚胎，表征了小鼠类原肠胚与胚胎中胚层之间的类似性，承认类原肠胚可当刁难胚胎发育进程进行研讨的杰出体外模型。

　　② 在小鼠胚胎发育进程中，神经分解和中胚层分解具有很强的空间散布特色：神经中胚层祖细胞坐落尾芽部位（较后侧），而分解的安排坐落更前侧的方位。

　　③ 对类原肠胚沿着前侧到后侧轴进行冷冻切片，运用tomo-seq剖析发现，类原肠胚中各种细胞的方位与在胚胎体内散布的空间方位是比较共同的；与E8.5小鼠胚胎进一步比照剖析，发现两者中调理体节生成的基因表达是十分类似的。

　　④ Notch陈述基因活体成像检测及Notch信号按捺等试验，发现类原肠胚中陈述基因的表达与在小鼠胚胎中类似，相同也依靠于Notch信号通路的活性；体节时钟（somitogenesis clock）的动态活性改变与体内发育进程十分类似。（邵利彬/董方圆）

　　注：体节构成进程中首要受Notch、FGF和WNT信号通路调理，其间Notch信号在分节时钟和体节鸿沟构成中均起重要效果。

　　小鼠类原肠胚的scRNA-seq和tomo-seq剖析及与小鼠胚胎的比较

　　① 展现了人类胚胎干细胞可用于生成类原肠胚，即三维多细胞聚集体，其可分解构成时空安排的三个胚层的衍生物，且无需其他胚胎外安排，为提醒和研讨人类胚胎发育前期特异性调理进程供给了一个试验性的、可操控性的模型体系。

　　② 天然产生的人类原肠胚会产生前后极性，在Chiron（WNT激动剂）的存鄙人，培育的类原肠胚也会沿前后轴延伸，并沿着该轴启动了与正常胚胎相同的特定形式的基因表达。

　　③ 经过陈述体系（RUES2-GLR13）来辨认表达中胚层（BRA）、内胚层（SOX17）和神经外胚层（SOX2）符号基因的细胞，追寻到类原肠胚产生三胚层衍生物的进程。此外，进一步发现，Nodal和WNT信号通路之间的平衡在决议细胞命运和促进人源类原肠胚延伸方面发挥了必定的效果。

　　④ 运用tomo-seq（一种运用于全胚胎和解剖器官的空间转录组测序方法）剖析经Chiron预处理72 h的类原肠胚，判定出1,023个基因，这些基因被分为22类代表一切三个胚层的首要表达形式。

　　⑤ 经过体细胞产生的特征，标明培育了72 h的人类原肠胚表现出卡内基分期（Carneigie stage）第9期胚胎（约19~21 d）的一些要害特征。（榆树）

　　① 运用scRNA-seq，对来自三个要害发育时刻点（E8.5、E9.0、E9.5）的小鼠胚胎前肠做多元化的剖析，共取得31,268个细胞，判定出24个细胞簇并将其分为了9种首要细胞系：内胚层（endoderm，DE）、脏壁中胚层（surrounding splanchnic mesoderm，SM）、生心中胚层（cardiac）、其他中胚层（躯体和近轴）、内胚层、血液、外胚层、神经胚和胚外（胎膜），构建了胚胎小鼠前肠的高分辩率细胞状况图（）。

　　② 进一步剖析，判定了与器官特异性上皮紧密结合开展的SM细胞类型的多样性，13个首要SM组由36个阶段特异性亚群组成（E8.5，7个亚群；E9.0，12个亚群；E9.5，17个亚群）。

　　③ 经过将旁排泄信号通路的转录谱投射到这些谱系上，界说了一个和谐前肠器官产生的内胚层-中胚层相互效果的杂乱时空信号网络。

　　④ 经过小鼠遗传学验证了要害猜测，显现了内胚层来历的信号在中胚层形式中的重要性。并运用这些信号的相互效果，从人类多能干细胞（human pluripotent stem cells，hPSC）生成了之前难以取得的多种SM亚型。（宓晓晴）

　　① 提出了一种将单细胞基因表达差异与空间布景结合起来的新方法——sci-Space，该方法可以在保存单细胞分辩率的一起在更大的标准上处理了空间异质性。

　　② 运用sci-Space对来自2个发育第14天的小鼠胚胎的14个矢状面切片进行了剖析，制作出121,909个细胞核的基因表达图谱和近似空间坐标，证明了sci-Space可以显现转录组中的任何基因，类似于原位杂交。

　　③ 经过剖析图谱，判定出数千个基因呈现出与解剖结构有关的表达形式，在剖析的细胞类型中结缔安排祖细胞和神经元的空间自相关基因最多，每个细胞中别离均匀有12,150±2,270、8,623±3,846个基因，标明sci-Space可以区别由单个细胞类型驱动的基因表达空间形式，以及跨多个细胞类型的基因表达空间形式。

　　④ 运用空间信息对许多类型的细胞进行亚型注释，提醒了细胞类型在空间形式化程度方面存在很大差异，标明这些细胞亚型在体内以方位依靠的方法行事；选用拟时序剖析，得出神经胶质细胞、辐射状细胞和神经元三种脑细胞随时刻进行分解和搬迁。（WRQ/Lina）

　　① 开发了一种全新的高分辩率（10 μm）空间组学测序技能DBiT-seq（Deterministic Barcoding in Tissue for spatial omics sequencing），该方法运用微流控技能来完成安排切片的空间组学测序（转录组和蛋白组）。DBiT-seq首要根据两次的编码来完成细胞空间方位的定位：第一次编码经过细胞内反转录RNA成cDNA来完成；第2次编码则是经过DNA连接酶来完成。

　　② 将DBiT-seq运用于50 μm像素巨细的小鼠胚胎（E10）安排切片中，构建了空间多组学图谱，每个切片共检测到mRNAs相关的12,314个UMIs和22种蛋白质的3,038个UMIs，提醒了Notch信号在调理小鼠胚胎发育进程中的重要效果。

　　③ 选用更高分辩率（像素巨细=25 μm）的DBiT-seq剖析E10小鼠胚胎安排样本的大脑区域，Pan-mRNA和Pan-protein空间表达图均显现出可分辩的脑部精密结构，如脑微血管网络和光学囊泡内的单细胞层黑素细胞，且与免疫荧光染色图画及H&E染色图画可以很好地堆叠在一起，证明了DBiT-seq的准确性。

　　④ 运用10 μm微流控通道对E.10小鼠胚胎脑区进行DBiT-seq检测，描绘了眼睛前期发育的空间单细胞转录图谱，证明DBiT-seq能完成全基因组表达的高空间分辩率可视化。

　　⑤DBiT-seq技能可被无微流体学经历的研讨人员所选用，并或许运用在发育生物学、癌症生物学、神经科学和临床病理学等范畴。（黄玉芬）

　　① 树立了一种针对高空间分辩率的转录组图谱剖析技能——光阻隔化学（photo-isolation chemistry，PIC），该方法运用光笼式寡脱氧核苷酸（caged ODNs）进行原位反转录，答应从感兴趣的光照耀区域承认表达谱。

　　② PIC转录组剖析检测小鼠胚胎安排中小的不相同的区域中特异性表达基因，证明了PIC可认为小鼠胚胎安排中几十个小区域的细胞供给具体的基因表达谱；单细胞的光辐照显现，用7×104个共同的读计数检测到约8,000个基因。

　　③ PIC转录组剖析适用于杂乱精密结构中的细胞、安排学上涣散的细胞，以及亚细胞、亚核微结构（应激颗粒和核散斑），可以从有限区域到亚细胞和亚核分辩率来承认高深度的转录组图谱，以精密的空间分辩率解剖出细胞的具体特征。（LR）

　　① 证明了一个简略而准确的发育潜能决议因素：每个细胞表达基因的数量，并运用这种转录多样性的测量方法开发了一个核算结构——CytoTRACE（），可用于运用scRNA-seq数据猜测分解状况，这对辨认整个多细胞生射中杂乱安排中未成熟细胞的发育轨道具有极端重大意义。

　　② 运用于跨安排、物种和渠道[141,267个单细胞，包含266个表型，9个生物体系，5个物种（包含2个完好生物）和9个scRNA-seq渠道（3个根据液滴和6个根据板的渠道）协议]时，发现CytoTRACE的功能优于从前的方法（如基因计数、GCS等），可以解析将近19,000个带注释的基因集，然后解析52个试验承认的发育轨道。

　　③ 探究了CytoTRACE在辨认健康安排和人类癌症中与干细胞和分解相关的要害基因方面的实用性。例如，经过将RNA含量与CytoTRACE结合，初次证明运用无监督的核算机方法可以将停止的成年干细胞与下流祖细胞区别开来；运用细胞追寻剖析人类乳腺肿瘤的scRNA-seq谱，发现了与分解程度较低的管腔祖细胞相关的新候选基因，并确立了GULP1在乳腺肿瘤产生中的新效果。（王美琪/Lina）