標題：A single-cell molecular map of mouse gastrulation and early organogenesis

期刊：Nature.

影響因子：49.96

單細胞測序技術(shù)能夠使我們對生物學進程的觀測高精度提升到單個細胞全轉(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關(guān)鍵的發(fā)育事件，在此期間，胚胎多能細胞分化成譜系特異性的前體，而后產(chǎn)生成年有機體。實驗人員對受精后 6.5 - 8.5 天的 9 個連續(xù)時間點收集的小鼠胚胎中 116,312 個單細胞的轉(zhuǎn)錄譜進行繪制，構(gòu)建了從多能性到所有主要胚胎譜系的細胞分化的分子圖，并探索了內(nèi)臟和原條來源的內(nèi)胚層聚合的復(fù)雜事件。此外，實驗人員還利用單細胞分析揭示 Tal1-/- 嵌合胚胎在早期中胚層分化中會表現(xiàn)出缺陷，從而證明了結(jié)合時間和轉(zhuǎn)錄信息如何能闡明基因功能?？傊@種對哺乳動物細胞在體內(nèi)分化軌跡的全面描述，代表了理解基因突變在發(fā)育過程中的影響的基線，以及優(yōu)化再生醫(yī)學體外分化過程的路線圖。

原腸胚形成時期有著怎樣的發(fā)展軌跡，涉及怎樣的分子過程？

測序細胞為來自 411 只小鼠全胚胎的總計 116312 個單細胞。這些樣本分別來自第 6.5-8.5 天不同發(fā)育時長的小鼠胚胎，發(fā)育時長每隔 6 小時劃分為一組，共 9 組樣本。

10X genomics

1、早起胚胎發(fā)育階段對于單細胞圖譜的繪制

通過測序?qū)Ω鞣N細胞類型加以區(qū)分，細胞聚類總計共劃分出 37 個細胞類型，按如圖所示的方式按時間順序記錄每種細胞在發(fā)育過程的數(shù)量變化，出現(xiàn)與消失時刻。

2、內(nèi)胚層細胞發(fā)育圖譜繪制

研究者進一步在分子水平上研究原條來源的內(nèi)胚層與內(nèi)臟內(nèi)胚層來源的細胞的匯合。為此，他們按照內(nèi)臟內(nèi)胚層、前原條、內(nèi)胚層和腸道細胞類型對這些來自第 8.25 和 8.5 天的胚胎細胞進行進一步細分，并如圖所示劃分出了咽內(nèi)胚層，前腸，中腸和后腸包括細分亞群在內(nèi)的共 7 個類群（圖 2a，b，c）。鑒于腸道發(fā)育在空間上存在一定的復(fù)雜度，研究人員基于擬時序構(gòu)建了從前到后模擬空間順序的細胞類群分布圖（圖 2f）。根據(jù)基因表達的分析，研究人員也對每種細胞的祖先進行了溯源（圖 2g），計算出了它們是來自內(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)皮細胞譜系的起源

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

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，因此實驗人員將 Tal1?/? td Tomato+ 胚胎干細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，實驗人員將兩種細胞分選開來并測序，結(jié)果表明 td Tomato+ 細胞沒有促成任何造血作用，對應(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。盡管有兩個類群的細胞可以被劃分到造血內(nèi)皮細胞中，Tal1?/?細胞在血液生成基因的表達方面存在問題（圖 4d）。通過對每個亞群細胞組成的檢驗（圖 4e）以及基因表達情況的分析（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，當細胞無法向著造血表型分化時 EC3 的 Tal1?/?細胞會開始激活其他的中胚層分化程序。

參考文獻：

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-