惊！胚胎发育精细过程竟是这样 | Nature一日两文，最大规模单细胞测序，接力绘制哺乳动物原肠胚形成和器官发育轨迹
2019年2月20日，《Nature》在线刊发两篇文章：剑桥大学Blanca Pijuan-Sala等多位科学家分析了超过11万个单细胞转录组数据，记录了小鼠受精后6.5-8.5天——哺乳动物原肠胚形成阶段的胚胎发育细胞谱系；华盛顿大学医学院研究团队分析了来自受精后9.5 - 13.5天的61个小鼠胚胎约200万个单细胞转录组数据，记录了原肠胚的3个胚层发育为不同器官的“小鼠器官发生细胞图谱”。两项工作前后衔接，跨过了从小鼠原肠胚形成到器官分化的重要胚胎发育过程，从分子水平上为哺乳动物胚胎发育和细胞分化轨迹提供了全景数据。
原肠胚的形成是哺乳动物胚胎发育的一大标志性事件，在此期间，多能干细胞分化出多个细胞谱系，此后发育为身体的不同器官和组织。
图1：原肠胚的宏观发育路径
原肠胚是如何形成的？
“A single-cell molecular map of mouse gastrulation and early organogenesis”
既往对哺乳动物早期胚胎发育所涉及的细胞亚群潜在发展轨迹和分子过程缺乏全面了解。该项目研究人员应用单细胞测序技术，对411个受精后6.5-8.5天的小鼠胚胎按6小时的间隔在9个时间点取样，一共分离得到了116312个单细胞，完整跨过了原肠胚的形成和三胚层的早期发育阶段。图2：取样时间点及对应的胚胎发育阶段
研究人员应用10×Genomics平台分批次对这些单细胞进行转录组测序和数据分析，构建了小鼠胚胎发育最初48小时内的细胞分化和基因表达变化图谱，最后获得了37个细胞亚群，发现了这些细胞亚群随时间推移延伸出的细胞变化谱系，最终形成了一张单细胞分辨率的精细图谱，清晰地呈现出小鼠原肠胚形成和早期器官发生所经历的细胞发育轨迹。
图3：胚胎发育细胞亚群和随时间推移发生的分化谱系图
此外，为了研究内胚层的早期分子发育机制，研究者专门对受精后8.25天和8.5天的胚胎进行了分析，发现这些细胞一共可分为7个簇，分别对应于排列在肠道管中的不同细胞亚群，这些细胞亚群将来会发育为包括消化器官和肺在内的不同内脏器官。
图4：排布在肠道管中的内胚层细胞亚群
研究者为阐明转录因子TAL1在血液发育中的作用和机制，还设计了嵌合胚胎，应用前述发育图谱作为参考，对 Tal1−/− 突变体嵌合胚胎进行基因表达分析，定位了Tal1 在血液谱系发展中的关键位置，分析了Tal1 突变后上下游基因表达的变化，发现Tal1 缺失引起一系列与血液发育相关的基因表达量发生显著变化，破坏了原始红系细胞、巨核细胞和髓系细胞的出现，最终引发血液疾病。
图5：相比于野生型，Tal1−/− 突变体嵌合胚胎中的血液发育受阻细胞群（右图红色标注）
该项研究成功构建了小鼠在原肠胚形成时期的胚胎发育细胞谱系，在研究多种突变体发育的分子机制和细胞发育轨迹上都有重要作用，促进了我们对脊椎动物原肠胚形成和器官早期发育过程的了解，嵌合胚胎模型也为各种与发育相关的基因的作用机制研究提供了便利。
三胚层如何分化发育为不同的器官？
“The single-cell transcriptional landscape of mammalian organogenesis”
该项目研究人员对来自61个受精后9.5-13.5天的小鼠胚胎的近200万个细胞完成单细胞转录组测序和分析。在采样跨过的发育区间，胚胎细胞数量从几十万扩展到一千万以上，包括胃、肌肉、大脑、皮肤在内的主要器官和系统在这个阶段形成，这是大多数重大发育缺陷相关基因研究的良好窗口。
图6：取样时间点及处在同一发育阶段的胚胎数量
研究人员根据单细胞转录组数据，按照特定基因对200多万个细胞进行聚类，最终将所有细胞分为38种主要的细胞类型，发现来自相同发育阶段的胚胎细胞聚类结果相似，而处在不同发育阶段的细胞聚类结果明显不同。
图7：200多万个细胞的聚类图谱及不同发育阶段的细胞聚类图谱（不同编号/色块代表不同类型的细胞亚群）
研究人员还试图构建了器官发生过程中的不同发育轨迹。38种主要细胞类型几乎全部投射到10条重要轨迹当中，这些轨迹包括神经管-脊索轨迹、间充质轨迹、神经嵴轨迹、造血轨迹、内皮细胞、上皮细胞、肝脏、晶状体等器官结构的发生发育过程。其中神经管—脊索轨迹和间充质轨迹最为复杂。神经管脊索轨迹包括脊索、神经管、祖细胞、发育中的神经元和胶质细胞类型，间充质轨迹包括所有间充质细胞和肌肉细胞类型。这10条轨迹之间呈现出不连续性，反映出在该项研究中继续补充一些中间状态或增加祖先细胞研究的必要性。
图8: 10条重要的器官发育轨迹（箭头标注的是最复杂的两条轨迹，右上：神经管—脊索轨迹，右下：间充质轨迹）
最终，该项目构建了小鼠器官发生细胞图谱，根据标记基因，鉴定出500多个细胞亚型和56个发育亚系，应用来自200多万个单细胞的数据集，为哺乳动物发育生物学研究提供了非常有价值的基础资源。
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BGISEQ与10×Genomics平台共同助力单细胞测序
10×Genomics平台在原肠胚细胞发育谱系构建中助力研究团队完成超110000个胚胎细胞的单细胞捕获、反转录、建库、高通量测序和数据分析工作，该平台捕获效率高、操作简便、单细胞成本低。华大基因在国内最早引进10×Genomics平台，历经两年的技术提升和团队服务经验积累，可提供成熟的前期样本处理、高效率的上门取样和优质的信息分析服务，已经助力合作伙伴在国际期刊上发表了多篇高水平论文。同时，BGISEQ已经成为10×Genomics官方推荐测序平台。
参考链接：
【1】https://www.nature.com/articles/s41586-019-0933-9
【2】https://www.businesswire.com/news/home/20180108005420/en/MGI-Genetic-Sequencer-Certified-New-10x-Genomics
【3】https://www.nature.com/articles/s41576-019-0093-7
【4】https://www.nature.com/articles/s41586-019-0969-x
撰稿：付 娟 李瑜琪
编辑：市场部
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