一項名為sci-Space的新技術與來自其他技術的數據相結合，可能會在哺乳動物胚胎發育過程中，通過不同細胞的基因表達繪制出四維圖譜。這類圖譜將描繪出單個細胞中的基因轉錄本如何反映出時間的流逝、細胞譜系、細胞遷移以及發育中的胚胎位置。它們還將有助于闡明基因表達的空間調節。哺乳動物胚胎發育是一種了不起的現象：一個受精

2021年7月6日訊/世聯博研(Bioexcellence)BIOON/---一項名為sci-Space的新技術與來自其他技術的數據相結合，可能會在哺乳動物胚胎發育過程中，通過不同細胞的基因表達繪制出四維圖譜。這類圖譜將描繪出單個細胞中的基因轉錄本如何反映出時間的流逝、細胞譜系、細胞遷移以及發育中的胚胎位置。它們還將有助于闡明基因表達的空間調節。

哺乳動物胚胎發育是一種了不起的現象：一個受精卵反復分裂，在幾周或幾個月內變成一個復雜的有機體，該有機體能夠進行無數的生理過程，由各種細胞、組織、器官、解剖結構組成。

更好地了解哺乳動物在出生前是如何形成的---特別是胚胎發育過程中單細胞水平上的出生前基因表達空間模式---可能推動對各種疾病進行生物醫學和獸醫研究。這些疾病包括從遺傳性疾病到先天性畸形和發育遲緩。了解器官的起源也可能有助于未來的再生醫學工作。

由美國華盛頓大學醫學院、霍華德-休斯醫學研究所和布羅特曼-巴蒂精密醫學研究所的研究人員領導的一個國際團隊在小鼠胚胎中展示了他們的sci-Space技術的概念驗證。相關研究結果發表在2021年7月2日的Science期刊上，論文標題為“Embryo-scale, single-cell spatial transcriptomics”。論文通訊作者為華盛頓大學醫學院基因組科學教授Jay Shendure、華盛頓大學生物工程系助理教授Kelly R. Stevens、華盛頓大學醫學院基因組科學副教授Cole Trapnell。論文第一作者為是華盛頓大學醫學院基因組科學系的Sanjay R. Srivatsan和華盛頓大學生物工程系的Mary C. Regier。

這些作者觀察了12萬個細胞核中基因的協調情況。身體的所有體細胞都包含相同的DNA編碼。他們在小鼠胚胎成形時捕捉到了這些細胞核中哪些基因開啟或關閉的信息。他們還研究了細胞在胚胎中的位置如何影響發育過程中哪些基因被激活。

這項技術建立在以前的工作基礎上，這些作者和其他的研究團隊開發了在胚胎發育過程中對成千上萬個單細胞的基因表達和DNA編碼可訪問性進行整個有機體分析的方法。他們這樣做是為了跟蹤各種細胞類型的出現和軌跡。

細胞在空間上是如何組裝的---它們在胚胎形成時采取什么樣的物理位置---對正常發育至關重要。錯位、擾亂，或者細胞沒有在正確的時間出現在正確的位置，都可能導致嚴重的問題，甚至是產前死亡。

然而，獲得有關基因表達空間模式的知識在技術上是困難的。在胚胎的大范圍內對單個細胞的基因轉錄進行檢測是不容易的。這限制了對空間結構如何影響基因表達的科學理解，因此也限制了對為什么哪些細胞類型在哪里形成，或相鄰的細胞組如何影響彼此的未來角色的科學理解。

這些作者早先開發了一種標記細胞核的方法，他們稱之為sci-plex技術。然后他們利用一種稱為sci-RNA測序的方法，繼續對單細胞RNA測序進行索引。如今，通過sci-Space，他們通過分析空間坐標和細胞基因轉錄本，鑒定出數以千計的基因，這些基因的表達是按照解剖學模式進行的。例如，某些基因圖譜出現在大腦和脊髓的神經元中，還有一些出現在心臟的心肌細胞中。他們還使用空間和基因圖譜信息來注釋細胞的亞型。例如，雖然血管細胞和心肌細胞可能都表達某種特定生長因子的基因，但只有心肌細胞產生某些生長因子受體。

這些作者還觀察到，細胞類型在基因表達的空間模式上差異很大。例如，結締組織祖細胞顯示出相對較大比例的空間限制性基因表達。這一觀察表明，這些細胞的亞型在整個身體內以位置依賴的方式行事。

描述了在發育中的小鼠胚胎內，單個細胞聚集在一起形成器官時，sci-Spac技術如何捕捉它們的特性和位置。圖片來自Science, 2021, doi:10.1126/science.abb9536。

為了衡量空間位置對一種細胞類型的基因轉錄譜的影響，這些作者還計算了細胞之間的物理距離和它們基因表達譜的角度距離。他們指出對于許多細胞類型來說，隨著細胞之間物理距離的增加，它們的轉錄組之間的角度距離也會增加。然而，他們補充說，這種趨勢變化很大。它在某些大腦和脊髓細胞中表現得最為明顯。其他一些細胞類型的基因轉錄譜受到它們在發育中的胚胎中的位置的高度影響。其中包括某些軟骨細胞，它們成為頭部和面部骨骼支架的一部分。

這些作者還研究了小鼠胚胎發育過程中作為腦細胞分化和遷移的一部分而發生的基因表達動態變化。他們檢查了各種腦細胞的軌跡是如何在解剖學上分布的。他們通過使用艾倫腦科學研究所的解剖參考腦圖譜（Anatomical Reference Brain Atlas）作為指導來做到這一點。

這些作者指出，處于每條軌跡的細胞絕大多數都占據了不同的大腦區域。他們還觀察到大腦不同區域的發育成熟度存在梯度。這些梯度揭示了已知的和新的遷移模式。

在未來，這些作者希望sci-Space能進一步應用于整個小鼠胚胎的連續切片，覆蓋多個時間點。（世聯博研(Bioexcellence) 世聯博研Bioexcellence）

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