動(dòng)物發(fā)育是基因與細(xì)胞在時(shí)空維度上精密協(xié)作的復(fù)雜過(guò)程。以果蠅為例，其發(fā)育的過(guò)程，大體需要經(jīng)過(guò)卵、幼蟲、蛹和成蟲4個(gè)階段。如果說(shuō)這個(gè)成長(zhǎng)過(guò)程，是一場(chǎng)精密編排的“生命舞臺(tái)劇”，那么每個(gè)細(xì)胞何時(shí)何地“登場(chǎng)”、如何變成特定的細(xì)胞類型，便都是由基因“劇本”調(diào)控的。但一直以來(lái)，科學(xué)家很難完全讀懂發(fā)育時(shí)空動(dòng)態(tài)背后的調(diào)控機(jī)制。

6月26日，杭州華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合南方科技大學(xué)，在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）發(fā)表突破性成果。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)華大時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq及多種單細(xì)胞組學(xué)測(cè)序技術(shù)，開創(chuàng)性地創(chuàng)建了一個(gè)解碼動(dòng)物發(fā)育過(guò)程的多模態(tài)數(shù)據(jù)集，生成了果蠅全發(fā)育周期的3D單細(xì)胞時(shí)空多組學(xué)圖譜。該研究成果系統(tǒng)解析了果蠅細(xì)胞類型分化的時(shí)空動(dòng)態(tài)與核心調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為發(fā)育生物學(xué)研究提供了前所未有的分子層面參考，并為發(fā)育缺陷及相關(guān)疾病機(jī)制研究奠定了重要基礎(chǔ)。

??Cell 官網(wǎng)截圖

構(gòu)建發(fā)育全周期3D多組學(xué)圖譜

研究團(tuán)隊(duì)基于華大自主研發(fā)的時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，搭配單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)scRNA-seq和scATAC-seq，對(duì)果蠅胚胎每0.5-2小時(shí)、幼蟲及蛹期的各個(gè)關(guān)鍵階段進(jìn)行采樣，生成超過(guò)380萬(wàn)個(gè)具有空間分辨率的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組，并利用Spateo算法重建出高精度3D模型，精準(zhǔn)解析組織形態(tài)與基因表達(dá)的空間動(dòng)態(tài)。就像用一臺(tái)超級(jí)“生命照相機(jī)”，給果蠅的整個(gè)發(fā)育過(guò)程拍攝了一部分辨率極高的3D電影，能夠清楚地看到每個(gè)細(xì)胞在何時(shí)何地開啟了哪些基因。

??果蠅發(fā)育的全景分子時(shí)鐘

在這場(chǎng)果蠅發(fā)育的“生命舞臺(tái)劇”中，細(xì)胞如何決定自己變成神經(jīng)細(xì)胞還是肌肉細(xì)胞？研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)整合數(shù)據(jù)，構(gòu)建了果蠅胚胎發(fā)育的“分化軌跡地圖”，解析了細(xì)胞命運(yùn)決定的關(guān)鍵分子機(jī)制。

通過(guò)追蹤“演員”的走位，研究發(fā)現(xiàn)不同胚層的細(xì)胞會(huì)沿著特定路徑分化，而轉(zhuǎn)錄因子就像“導(dǎo)演”，通過(guò)激活或抑制基因，指揮細(xì)胞扮演特定角色。比如，研究發(fā)現(xiàn)多個(gè)此前未被鑒定的轉(zhuǎn)錄因子，在神經(jīng)、腸道及內(nèi)分泌系統(tǒng)中可能起關(guān)鍵作用。這就像在劇本里發(fā)現(xiàn)了隱藏的重要情節(jié)，拓展了我們對(duì)發(fā)育調(diào)控的認(rèn)知。

文章共同第一作者、華大生命科學(xué)研究院王明月博士表示：“果蠅是生物學(xué)研究中最重要的模式生物之一，其在遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)以及分子生物學(xué)等領(lǐng)域中都有著不可替代的位置。此外，果蠅與人類共享約70%的疾病相關(guān)基因，理解其發(fā)育過(guò)程及基因調(diào)控機(jī)制，能夠幫助我們更好地探究生命發(fā)育等重要科學(xué)問(wèn)題，并為人類發(fā)育疾病領(lǐng)域相關(guān)研究提供參考?！?/p>

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揭示組織分化的空間模式

在這份3D多組學(xué)圖譜的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)整合分析，首次在單細(xì)胞水平揭示了果蠅組織分化起源的空間模式。以脂肪體和前/后腸為模型，研究發(fā)現(xiàn)：

脂肪體（哺乳動(dòng)物肝臟同源器官）：分化呈分散式模式，其細(xì)胞類型在空間上混合分布，未形成集中的干細(xì)胞簇，這與早期胚胎發(fā)育中分散的前體細(xì)胞分布一致；

前/后腸（分別與哺乳動(dòng)物食管與胃/大腸同源）：分化呈中心化特征，細(xì)胞類型按發(fā)育階段聚集在特定的空間區(qū)域。這一發(fā)現(xiàn)為理解胚胎腸道如何成形提供了新證據(jù)。

??果蠅脂肪體與前后腸發(fā)育模式的比較

此外，針對(duì)果蠅的中樞神經(jīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，研究團(tuán)隊(duì)利用3D多組學(xué)圖譜追蹤其形態(tài)變化與基因表達(dá)關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)：

形態(tài)重塑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：神經(jīng)索后端與腦部前端在不同發(fā)育階段主導(dǎo)形態(tài)變化，早期依賴細(xì)胞命運(yùn)決定，后期依靠信號(hào)通路激活功能；

新調(diào)控因子鑒定：跨膜蛋白CG42394和lncRNA:CR30009等未表征基因，與神經(jīng)母細(xì)胞遷移相關(guān)，其中后者被驗(yàn)證為神經(jīng)干細(xì)胞特異性表達(dá)。

這一研究系統(tǒng)解析了組織分化模式與器官形態(tài)重塑機(jī)制，為發(fā)育生物學(xué)研究提供了創(chuàng)新方法與關(guān)鍵靶點(diǎn)。

??中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的細(xì)胞遷移軌跡

動(dòng)態(tài)解析中腸功能分區(qū)的演變

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)Stereo-seq技術(shù)揭示了果蠅中腸細(xì)胞類型的動(dòng)態(tài)變化及其空間布局規(guī)律。

幼蟲期：中腸體積顯著增大，細(xì)胞類型更加多樣化，其內(nèi)分泌細(xì)胞分化為多個(gè)亞簇，分布在前后軸的特定位置，與成蟲中腸的功能分區(qū)高度相似；到了幼蟲L3階段，前胃盲囊和特定腸細(xì)胞數(shù)量驟減并最終消失，伴隨自噬相關(guān)基因在干細(xì)胞和內(nèi)分泌細(xì)胞中顯著上調(diào)，印證了變態(tài)前細(xì)胞程序性死亡的關(guān)鍵調(diào)控機(jī)制。

蛹期：中腸分化為內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)——內(nèi)層富集金屬離子代謝相關(guān)基因，外層表達(dá)抗菌基因，暗示其在變態(tài)發(fā)育過(guò)程中承擔(dān)不同功能。

胚胎期：中腸的功能分區(qū)早在胚胎期便已啟動(dòng)，各區(qū)域沿前后軸逐步形成，其基因表達(dá)模式與成蟲階段高度一致。

值得注意的是，幼蟲期的中腸干細(xì)胞已“預(yù)習(xí)”了未來(lái)的分工，呈現(xiàn)出區(qū)域特異性基因表達(dá)差異，為成年后不同區(qū)域的細(xì)胞再生提供了發(fā)育基礎(chǔ)。

??腸道發(fā)育的功能區(qū)域變化

發(fā)現(xiàn)調(diào)控中腸發(fā)育關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子

果蠅中腸的銅細(xì)胞就像體內(nèi)的“金屬管家”，是維持金屬離子平衡和胃酸分泌的關(guān)鍵細(xì)胞，其功能異常可能導(dǎo)致代謝紊亂。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多組學(xué)分析，首次發(fā)現(xiàn)在銅細(xì)胞發(fā)育中發(fā)揮核心調(diào)控作用的轉(zhuǎn)錄因子exex。

時(shí)空特異性調(diào)控：在銅細(xì)胞分化早期階段，exex高表達(dá)并驅(qū)動(dòng)下游基因活性，即使在銅細(xì)胞成熟后，其仍持續(xù)調(diào)控關(guān)鍵靶基因；

功能驗(yàn)證：如果敲降exex，銅細(xì)胞便會(huì)“罷工”——數(shù)量銳減、形態(tài)異常，且無(wú)法積累銅離子。這證實(shí)了exex對(duì)銅細(xì)胞分化與功能維持的必要性；

調(diào)控網(wǎng)絡(luò)解析：exex通過(guò)上調(diào)另一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子kay的表達(dá)，間接激活銅細(xì)胞的主控因子lab，同時(shí)與lab協(xié)同啟動(dòng)子區(qū)域，增強(qiáng)其調(diào)控效率。

這一發(fā)現(xiàn)揭示了果蠅中腸金屬穩(wěn)態(tài)調(diào)控的新機(jī)制，為人類腸道等器官發(fā)育的過(guò)程提供參考。

2022年，華大等研究團(tuán)隊(duì)借助Stereo-seq技術(shù)實(shí)現(xiàn)首批生命全景地圖的繪制，系列成果以時(shí)空組學(xué)聯(lián)盟（STOC）專題的形式在《細(xì)胞》發(fā)表。其中，果蠅發(fā)育圖譜發(fā)表于《發(fā)育細(xì)胞》（Developmental Cell）。

文章共同通訊作者、華大生命科學(xué)研究院劉龍奇研究員表示：“本次研究在此前果蠅圖譜成果的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞分辨率、補(bǔ)充了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組等組學(xué)數(shù)據(jù)，由此構(gòu)建了首個(gè)果蠅全發(fā)育周期的3D多組學(xué)圖譜，為理解動(dòng)物發(fā)育機(jī)制提供了分子層面的全新見(jiàn)解。此外，

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多組學(xué)技術(shù)的交叉融合，以更簡(jiǎn)單高效的方法系統(tǒng)地描述果蠅這一經(jīng)典模式生物的發(fā)育過(guò)程，為包括人類在內(nèi)的其他生物的發(fā)育研究提供了參考范式。”

南方科技大學(xué)胡宇慧教授、胡琪楠教授（兼共同第一作者），華大生命科學(xué)研究院徐訊研究員、劉龍奇研究員為本文的共同通訊作者。華大生命科學(xué)研究院王明月博士、涂楨鋮博士、南方科技大學(xué)孔令時(shí)博士為本文的共同第一作者。

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文章來(lái)源鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00629-4