標(biāo)題：A single-cell molecular map of mouse gastrulation and early organogenesis

期刊：Nature.

影響因子：49.96

單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)能夠使我們對(duì)生物學(xué)進(jìn)程的觀測(cè)高精度提升到單個(gè)細(xì)胞全轉(zhuǎn)錄組的水平，應(yīng)用到發(fā)育領(lǐng)域后，我們便可從整體基因表達(dá)的尺度上描述胚胎發(fā)育的軌跡。本文主要探討原腸形成這一個(gè)關(guān)鍵的發(fā)育事件，在此期間，胚胎多能細(xì)胞分化成譜系特異性的前體，而后產(chǎn)生成年有機(jī)體。實(shí)驗(yàn)人員對(duì)受精后 6.5 - 8.5 天的 9 個(gè)連續(xù)時(shí)間點(diǎn)收集的小鼠胚胎中 116,312 個(gè)單細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄譜進(jìn)行繪制，構(gòu)建了從多能性到所有主要胚胎譜系的細(xì)胞分化的分子圖，并探索了內(nèi)臟和原條來(lái)源的內(nèi)胚層聚合的復(fù)雜事件。此外，實(shí)驗(yàn)人員還利用單細(xì)胞分析揭示 Tal1-/- 嵌合胚胎在早期中胚層分化中會(huì)表現(xiàn)出缺陷，從而證明了結(jié)合時(shí)間和轉(zhuǎn)錄信息如何能闡明基因功能。總之，這種對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞在體內(nèi)分化軌跡的全面描述，代表了理解基因突變?cè)诎l(fā)育過(guò)程中的影響的基線，以及優(yōu)化再生醫(yī)學(xué)體外分化過(guò)程的路線圖。

原腸胚形成時(shí)期有著怎樣的發(fā)展軌跡，涉及怎樣的分子過(guò)程？

測(cè)序細(xì)胞為來(lái)自 411 只小鼠全胚胎的總計(jì) 116312 個(gè)單細(xì)胞。這些樣本分別來(lái)自第 6.5-8.5 天不同發(fā)育時(shí)長(zhǎng)的小鼠胚胎，發(fā)育時(shí)長(zhǎng)每隔 6 小時(shí)劃分為一組，共 9 組樣本。

10X genomics

1、早起胚胎發(fā)育階段對(duì)于單細(xì)胞圖譜的繪制

通過(guò)測(cè)序?qū)Ω鞣N細(xì)胞類型加以區(qū)分，細(xì)胞聚類總計(jì)共劃分出 37 個(gè)細(xì)胞類型，按如圖所示的方式按時(shí)間順序記錄每種細(xì)胞在發(fā)育過(guò)程的數(shù)量變化，出現(xiàn)與消失時(shí)刻。

2、內(nèi)胚層細(xì)胞發(fā)育圖譜繪制

研究者進(jìn)一步在分子水平上研究原條來(lái)源的內(nèi)胚層與內(nèi)臟內(nèi)胚層來(lái)源的細(xì)胞的匯合。為此，他們按照內(nèi)臟內(nèi)胚層、前原條、內(nèi)胚層和腸道細(xì)胞類型對(duì)這些來(lái)自第 8.25 和 8.5 天的胚胎細(xì)胞進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分，并如圖所示劃分出了咽內(nèi)胚層，前腸，中腸和后腸包括細(xì)分亞群在內(nèi)的共 7 個(gè)類群（圖 2a，b，c）。鑒于腸道發(fā)育在空間上存在一定的復(fù)雜度，研究人員基于擬時(shí)序構(gòu)建了從前到后模擬空間順序的細(xì)胞類群分布圖（圖 2f）。根據(jù)基因表達(dá)的分析，研究人員也對(duì)每種細(xì)胞的祖先進(jìn)行了溯源（圖 2g），計(jì)算出了它們是來(lái)自內(nèi)臟內(nèi)胚層（VE）或內(nèi)胚層（DE）的概率，繪制了圖示的分化軌跡（圖 2h）。

3、血液內(nèi)皮細(xì)胞譜系的起源

在卵黃囊中紅細(xì)胞會(huì)連續(xù)生成兩波，一波來(lái)自原初造血作用，另一波來(lái)自卵黃囊造血作用。為了深入研究這兩次造血過(guò)程，實(shí)驗(yàn)人員對(duì)紅細(xì)胞，造血內(nèi)皮細(xì)胞，外周血祖細(xì)胞，內(nèi)皮細(xì)胞和混合中胚層細(xì)胞進(jìn)行了分離，并重新聚類，得到了圖示（圖 3a，b，BP：外周血祖細(xì)胞，EC：內(nèi)皮細(xì)胞，Ery：紅細(xì)胞，Haem：造血內(nèi)皮祖細(xì)胞，Mes：中胚層細(xì)胞，Mk：巨核細(xì)胞，My：骨髓細(xì)胞）中的推定分化軌跡。內(nèi)皮細(xì)胞在卵黃囊、尿囊和胚體中獨(dú)立產(chǎn)生，研究人員對(duì)來(lái)自不同解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分離，分選純化并測(cè)序，將這些內(nèi)皮細(xì)胞細(xì)胞分配到它們可能的胚胎位置，表明不同的解剖來(lái)源可以部分解釋內(nèi)皮細(xì)胞中觀察到的轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性（圖 3e）。先前的研究指出原初造血作用也會(huì)生成巨噬細(xì)胞和巨核細(xì)胞祖細(xì)胞，這一觀點(diǎn)在該實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得到驗(yàn)證，有兩組細(xì)胞被分別注釋為巨核細(xì)胞和髓系細(xì)胞（圖 3f）。以往的研究表明，早期髓系祖細(xì)胞可形成腦小膠質(zhì)細(xì)胞。與此一致的是，在這次實(shí)驗(yàn)的骨髓細(xì)胞群體中，細(xì)胞表達(dá) Ptprc(編碼 CD45)、Kit、Csf1r 和 Fcgr3(編碼 CD16)，這是以前報(bào)道的產(chǎn)生小膠質(zhì)巨噬細(xì)胞的 E8.5 類 emp 群體的標(biāo)志物。

4、TAL1 基因的缺陷在造血作用方面的影響

TAL1 基因的缺失會(huì)阻礙小鼠的造血功能，而構(gòu)建基因敲除小鼠的模型又十分困難，因此實(shí)驗(yàn)人員將 Tal1?/? td Tomato+ 胚胎干細(xì)胞注入野生型小鼠囊胚中，構(gòu)建出嵌合體小鼠模型，這種胚胎的野生型部分可維持正常的造血作用。在培養(yǎng)至 8.5 天時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員將兩種細(xì)胞分選開(kāi)來(lái)并測(cè)序，結(jié)果表明 td Tomato+ 細(xì)胞沒(méi)有促成任何造血作用，對(duì)應(yīng)到圖 3a 中的分化情況，在圖 4c 中黑色箭頭所指的位置即為分化斷點(diǎn)。盡管有兩個(gè)類群的細(xì)胞可以被劃分到造血內(nèi)皮細(xì)胞中，Tal1?/?細(xì)胞在血液生成基因的表達(dá)方面存在問(wèn)題（圖 4d）。通過(guò)對(duì)每個(gè)亞群細(xì)胞組成的檢驗(yàn)（圖 4e）以及基因表達(dá)情況的分析（圖 4f），研究人員發(fā)現(xiàn) Tal1?/?在兩波造血作用中有著相似的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)阻斷，此外，當(dāng)細(xì)胞無(wú)法向著造血表型分化時(shí) EC3 的 Tal1?/?細(xì)胞會(huì)開(kāi)始激活其他的中胚層分化程序。

參考文獻(xiàn)：

Pijuan-Sala, B., Griffiths, J.A., Guibentif, C. et al. A single-cell molecular map of mouse gastrulation and early organogenesis. Nature 566, 490–495 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-0933-