哺乳动物胚胎发育的特点是细胞快速增殖和多样化。在短短几周内，就能分裂成数以百万计的细胞，并生成各种各样的功能分子。目前人们仍然难以对构成哺乳动物体内发育的主要细胞轨迹进行全面描述。
随着单细胞转录组测序技术的迅猛发展，传统上快速动态变化的胚胎发育过程，获得了类似于分子显微镜一样的利器。已有研究开始尝试利用单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术重建小鼠胚胎细胞的发育轨迹，报告的数据集跨越了小鼠整个胚胎植入、原肠胚形成和器官发生。然而，相关数据不能以稳健探索的方式进行系统整合。
近日，美国华盛顿大学医学院基因组科学系Jay Shendure教授团队利用单细胞转录组测序数据，系统重建了小鼠胚胎发育的第3.5~13.5天中的细胞轨迹图，定义了19个连续阶段的胚胎细胞状态，并捕捉到了部分细胞类型的基因表达变化，绘制出关键的分子变化，由此产生的哺乳动物胚胎发育轨迹（TOME）在很大程度上与当前对哺乳动物发育的理解一致。该研究为理解完整的胚层谱系建立及细胞的命运调控机制，提供了丰富的数据和崭新的思路。研究成果已发表在Nature Genetics上，文章题为“Systematic reconstruction of cellular trajectories across mouse embryogenesis”。
文章发表于Nature Genetics
研究团队整合了几个单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据集，跨越了小鼠的原肠胚形成和器官发生过程。已有研究显示，在胚胎发育的第8.5天（E8.5）和9.5天（E9.5）两个时间点之间，大量的细胞类型出现或消失，但尚不清楚哪些变化是由于技术差异所致，哪些是真正的发育进程所致，因此对于数据的整合来说尤其具有挑战性。为了解决上述问题，研究人员利用E8.5小鼠胚胎生成新数据，并进行胚胎分期，补充了约15万个细胞核的分析数据。已发布的E8.5数据（E8.5a）与新数据（E8.5b）的批量校正和整合效果很好。分析显示，E8.5b数据能够识别与E8.5a数据中相同的30种细胞类型，但新数据的测序深度以及单个胚胎的分期可提供额外的时间分辨率，促进了实质性胚胎亚结构的识别。值得注意的是，在该一分析过程中，研究人员还系统探索了单个细胞类型的转录动力学与不同胚胎分期形成时间的协调程度，并成功捕获到部分细胞类型的基因表达变化与分期同步。
图1. a：E8.5小鼠胚胎细胞核中产生的scRNA-seq数据集，并与现有数据集进行整合; b：E8.5 数据集 (E8.5b) 的3D UMAP可视化。来源：Nature Genetics
研究人员通过对三项研究的数据进行系统整合，数据集涵盖E3.5至E13.5的19个阶段的480个样本，并进行了更深度测序。对于每个阶段，研究人员都进行了数据预处理、Louvain聚类和基于标记基因表达的单个聚类手动注释。将“细胞状态”定义为给定阶段的注释集群，共定义了19个阶段的413个细胞状态，并将它们与可能的祖先和后代建立联系。研究人员还将相邻阶段的细胞映射到共享嵌入空间，然后采用基于K最近邻（k-NN）的方法来连接相邻阶段之间的细胞状态。例如，来自两个相邻时间点E6.25和E6.5的scRNA序列数据的聚类和注释分别识别了5个和6个细胞状态。（图2a）研究团队在所有的相邻阶段都应用了这种方法以描述哺乳动物胚胎发育轨迹（TOME）。（图2c）
图2.系统重建小鼠胚胎发育的细胞轨迹。来源：Nature Genetics
细胞的空间关系是研究发育的一个重要方面，但在分析细胞或细胞核时，这些信息会丢失。为了解决这一问题，研究人员将非空间scRNA-seq数据与空间分辨的基因表达数据（GEO-seq）相结合，利用TOME来评估数据集每个区域内单细胞类型的丰度。对于许多细胞类型和区域，该方法应用效果较好。此外，研究人员利用TOME系统地筛选出一些转录因子作为每种细胞发育的候选调控因子（TF），为胚胎发育的研究提供了新思路。除了指定特定的TF作为每种细胞类型出现的潜在调节因子外，研究人员还系统评估哪些TF和基因具有相对特定的和一般的作用，最终筛选出531个与82种细胞类型中的一种或多种出现相关的候选关键TF。
图3.基于将CIBERSORT x应用于GEO-seq数据，推断小鼠胚胎各空间区域的细胞类型作用。来源：Nature Genetics
图4. TOME中选定的细胞轨迹，每条边上装饰有排名前五的候选关键TFs。来源：Nature Genetics
该研究利用空间异质性单细胞转录数据重建了小鼠胚胎发育过程中的细胞轨迹，成功绘制出TOME（哺乳动物胚胎发育轨迹）的新图谱。研究结果揭示了基因开启或关闭、以及胚胎细胞转变为新的细胞状态和细胞类型时的全面图景。虽然得到的图谱是对哺乳动物发育的高度简单化，但从技术角度来看，仍为胚胎发育研究提供了一个有用的切入点。特别是该研究得到的TOME能够同时记录细胞谱系和分子变化历史，可从分子层面重构胚层谱系的发生过程，极大推动了胚胎发育研究的发展。
1. Cui Guizhong and Jing Naihe and Peng Guangdun. Comments on 'Molecular architecture of lineage allocation and tissue organization in early mouse embryo'.[J]. Journal of molecular cell biology, 2019, 11(11): 1024-1025.
2. Pijuan-Sala Blanca et al. A single-cell molecular map of mouse gastrulation and early organogenesis. [J]. Nature, 2019, 566(7745): 490-495.
3. Ma Xuehua et al. A 4D single-cell protein atlas of transcription factors delineates spatiotemporal patterning during embryogenesis. [J]. Nature methods, 2021, 18(8) : 893-902.
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