動物發(fā)育是基因與細胞在時空維度上精密協(xié)作的復(fù)雜過程。以果蠅為例，其發(fā)育過程大體需要經(jīng)過卵、幼蟲、蛹和成蟲4個階段。如果說這個成長過程是一場精心編排的“生命舞臺劇”，那么每個細胞何時何地“登場”、如何變成特定的細胞類型，便都是由基因“劇本”精準調(diào)控的。但一直以來，科學家們很難弄清發(fā)育背后的調(diào)控機制。

　　日前，華大生命科學研究院研究團隊聯(lián)合南方科技大學團隊，通過自主研發(fā)的時空組學技術(shù)Stereo-seq及多種單細胞組學測序技術(shù)，開創(chuàng)性地創(chuàng)建了一個解碼動物發(fā)育過程的多模態(tài)數(shù)據(jù)集，生成了果蠅全發(fā)育周期的3D單細胞時空多組學圖譜。該研究成果系統(tǒng)解析了果蠅細胞類型分化的時空動態(tài)與核心調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，不僅為發(fā)育生物學研究提供了分子層面的參考，也為發(fā)育缺陷及相關(guān)疾病的研究奠定了基礎(chǔ)。該項研究成果日前發(fā)表于國際學術(shù)期刊《細胞》。

　　　構(gòu)建全周期3D多組學圖譜

　　“果蠅是生物學研究中重要的模式生物之一，在遺傳學、發(fā)育生物學、神經(jīng)生物學以及分子生物學等領(lǐng)域都有著不可替代的位置。此外，人類約70%的致病基因可在果蠅身上找到同源基因�！比A大生命科學研究院博士王明月介紹，理解果蠅發(fā)育過程及基因調(diào)控機制，不僅能夠幫助研究人員更好地探究生命發(fā)育等方面的重要科學問題，還能為人類疾病領(lǐng)域的相關(guān)研究提供參考。

　　為了弄清果蠅的發(fā)育過程，研究團隊基于相關(guān)技術(shù)，針對果蠅胚胎發(fā)育過程、幼蟲和蛹期的各個關(guān)鍵階段進行采樣。通過這一系列操作，團隊生成了超過380萬個具備空間分辨率的單細胞轉(zhuǎn)錄組，并利用Spateo算法工具重建出高精度3D模型，實現(xiàn)了對果蠅組織形態(tài)與基因表達空間動態(tài)的精準解析，構(gòu)建了果蠅全周期3D多組學圖譜。這一過程，就像用一臺超級“生命照相機”，給果蠅的整個發(fā)育過程拍攝了一部分辨率極高的3D電影，能夠清楚地看到每個細胞在何時何地激活了哪些基因。

　　在這場果蠅發(fā)育的“生命舞臺劇”中，細胞如何決定自己變成神經(jīng)細胞還是肌肉細胞？研究團隊通過整合數(shù)據(jù)，構(gòu)建了果蠅胚胎發(fā)育的“分化軌跡地圖”，解析了決定細胞命運的關(guān)鍵分子機制。

　　通過追蹤細胞這一“演員”在發(fā)育過程中的“走位”，研究團隊發(fā)現(xiàn)，不同胚層的細胞會沿著特定路徑分化，而轉(zhuǎn)錄因子就像“導(dǎo)演”，通過激活或抑制基因，指揮細胞扮演特定角色。例如，研究發(fā)現(xiàn)多個此前未被鑒定的轉(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。這一發(fā)現(xiàn)，就如同在劇本中挖掘出了隱藏的重要情節(jié)，極大地拓展了人們對發(fā)育調(diào)控的認知。

　　　解析中腸細胞動態(tài)生長過程

　　研究團隊運用Stereo-seq技術(shù)，深入揭示了果蠅中腸細胞類型的動態(tài)變化及其空間布局規(guī)律。

　　在幼蟲期，果蠅中腸體積顯著增大，細胞類型更加多樣化，其內(nèi)分泌細胞分化為多個亞簇，分布位置與成蟲中腸的功能分區(qū)高度相似。到了幼蟲L3階段，果蠅前胃盲囊和特定腸細胞數(shù)量驟減并最終消失，伴隨自噬相關(guān)基因在干細胞和內(nèi)分泌細胞中顯著上調(diào)，這印證了變態(tài)前細胞程序性死亡的關(guān)鍵調(diào)控機制。在蛹期，果蠅中腸分化為內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)。內(nèi)層細胞富集了與金屬離子代謝相關(guān)的基因，外層細胞則主要表達抗菌基因，這暗示著在變態(tài)發(fā)育過程中，中腸的不同層次承擔著不同的功能。在胚胎期，果蠅中腸的基因表達模式與成蟲階段高度一致。

　　研究發(fā)現(xiàn)，果蠅幼蟲期的中腸干細胞已“預(yù)習”了未來的分工模式，呈現(xiàn)出區(qū)域特異性基因表達差異，為成年后不同區(qū)域的細胞再生提供了發(fā)育基礎(chǔ)。

　　研究團隊不僅動態(tài)解析了果蠅中腸功能分區(qū)的演變過程，還發(fā)現(xiàn)了調(diào)控中腸發(fā)育的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。

　　果蠅中腸的銅細胞就像體內(nèi)的“金屬管家”，在維持金屬離子平衡和胃酸分泌方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。一旦其功能出現(xiàn)異常，就可能導(dǎo)致代謝紊亂。研究團隊通過多組學分析，首次發(fā)現(xiàn)了在銅細胞發(fā)育中起核心調(diào)控作用的轉(zhuǎn)錄因子exex。

　　在銅細胞分化早期階段，exex高表達并驅(qū)動下游基因活性。即使在銅細胞成熟后，其仍持續(xù)調(diào)控關(guān)鍵靶基因。如果敲降exex，銅細胞便會“罷工”，表現(xiàn)為數(shù)量銳減、形態(tài)異常，且無法積累銅離子。這充分證實了exex對銅細胞分化與功能維持的必要性。

　　此外，exex還能通過上調(diào)另一個轉(zhuǎn)錄因子kay的表達，間接激活銅細胞的主控因子lab，同時與lab協(xié)同作用于啟動子區(qū)域，顯著增強對銅細胞的調(diào)控效率。

　　這一重要發(fā)現(xiàn)揭示了果蠅中腸金屬穩(wěn)態(tài)調(diào)控的新機制，為人類腸道等器官的發(fā)育過程研究提供了參考。

　　華大生命科學研究院研究員劉龍奇表示：“本次研究在此前果蠅圖譜成果的基礎(chǔ)上，補充了單細胞轉(zhuǎn)錄組等組學數(shù)據(jù)，由此構(gòu)建了首個果蠅全發(fā)育周期的3D多組學圖譜，為理解動物發(fā)育機制提供了分子層面的全新見解。此外，研究團隊通過多組學技術(shù)的交叉融合，以更簡單高效的方法系統(tǒng)描述了果蠅這一經(jīng)典模式生物的發(fā)育過程，為包括人類在內(nèi)的其他生物的發(fā)育研究提供了參考。”