深圳華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合南方科技大學(xué)等單位弛槐，基于華大自主研發(fā)的高分辨率時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，構(gòu)建了模式生物果蠅的晚期胚胎和幼蟲的3D時(shí)空發(fā)育圖譜署驻，鑒定了發(fā)育中果蠅中腸的空間亞區(qū)，解析了幼蟲精巢細(xì)胞命運(yùn)的轉(zhuǎn)變健霹，揭示了果蠅發(fā)育過程中潛在的空間轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)旺上。該文章在2022年5月4日作為專輯文章之一發(fā)表于Developmental Cell。

研究人員還構(gòu)建了果蠅胚胎和幼蟲的3D時(shí)空圖譜（Flysta3D）糖埋。

#?Flysta3D

Flysta3D旨在管理由Stereo-seq生成的果蠅胚胎和幼蟲所有階段的三維空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)抚官，通過可視化和分析感興趣的基因空間表達(dá)模式、聚類和注釋3D重建組織特異性的空間轉(zhuǎn)錄組阶捆，模擬組織發(fā)育過程中的發(fā)展軌跡凌节，識別細(xì)胞信號通路和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，在完整的空間環(huán)境中檢查基因功能等洒试。用戶可通過數(shù)據(jù)庫主頁面或?qū)Ш綑诒渡荩焖佾@取研究內(nèi)容梗概、時(shí)空聚類分析結(jié)果垒棋、3D模型卒煞、研究技術(shù)（Stereo-seq）簡介、研究中使用分析軟件及產(chǎn)生的數(shù)據(jù)資源信息叼架，同時(shí)還能直接下載研究數(shù)據(jù)畔裕。

期刊：Developmental Cell

數(shù)據(jù)編號：CNP0002189

數(shù)據(jù)庫：https://db.cngb.org/stomics/flysta3d/

以下是文章共同第一作者王明月博士對此項(xiàng)研究成果的詳細(xì)解讀，讀者可結(jié)合Flysta3D快速獲取文獻(xiàn)概要乖订、研究數(shù)據(jù)扮饶、分析工具、數(shù)據(jù)可視化分析結(jié)果等關(guān)鍵信息乍构。

研究背景

果蠅是遺傳學(xué)及發(fā)育生物學(xué)等領(lǐng)域的經(jīng)典模式生物甜无。相比其他生物而言，果蠅的基因組相對較小、冗余少岂丘，且與哺乳動物高度保守陵究，因此是研究胚胎發(fā)生、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)奥帘、疾病發(fā)生機(jī)制等的常用模型铜邮。空間基因表達(dá)模式是理解復(fù)雜信號通路和細(xì)胞間相互作用的關(guān)鍵寨蹋，而在組織發(fā)育和疾病發(fā)生等高度動態(tài)的生命活動中松蒜，追蹤基因表達(dá)的時(shí)空變化是至關(guān)重要的。但因?yàn)楣壟咛ズ徒M織相對較小钥庇，限制了現(xiàn)有技術(shù)手段的應(yīng)用牍鞠，因此果蠅的時(shí)空基因表達(dá)圖譜仍有待進(jìn)一步完善咖摹。

材料和方法

研究樣本：w1118?野生型果蠅评姨，收集其晚期胚胎（產(chǎn)卵后14~16 h和16~18 h，分別稱為E14~16和E16~18）和幼蟲3個(gè)發(fā)育階段（L1~L3）萤晴。

研究策略：收集果蠅樣本的連續(xù)切片進(jìn)行時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq測序吐句。研究人員通過生物信息學(xué)分析，構(gòu)建了果蠅晚期胚胎及幼蟲期的三維轉(zhuǎn)錄本模型店读，鑒定了果蠅主要器官的功能亞區(qū)嗦枢。并通過探究果蠅精子發(fā)生過程中關(guān)鍵基因的空間動力學(xué)機(jī)制，繪制了果蠅發(fā)育的空間轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)屯断。

研究結(jié)果

1. 完善BDGP數(shù)據(jù)庫中果蠅基因表達(dá)空間位置信息

研究人員將使用Stereo-seq獲取的基因空間表達(dá)圖譜（圖1）與BDGP數(shù)據(jù)庫（Berkeley Drosophila Genome Project; Tomancak et al., 2002, 2007）中已知的基因原位雜交結(jié)果進(jìn)行比較分析文虏，發(fā)現(xiàn)Stereo-seq所捕獲到的基因與BDGP中該基因表達(dá)的解剖結(jié)構(gòu)注釋信息高度一致，表明Stereo-seq能準(zhǔn)確地反映果蠅晚期胚胎的空間基因表達(dá)（圖2A殖演、2B）氧秘。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)Stereo-seq捕獲到了大量BDGP原位雜交數(shù)據(jù)庫中未能包含的基因空間位置信息趴久，且這些基因的表達(dá)模式能夠在晚期胚胎的重復(fù)樣本中檢測到（圖2C）丸相。因此，Stereo-seq能夠高通量地捕獲到高質(zhì)量的果蠅晚期胚胎和幼蟲的轉(zhuǎn)錄本表達(dá)信息彼棍，并填充了BDGP原位雜交數(shù)據(jù)庫的空白灭忠。

2. 果蠅胚胎和幼蟲空間轉(zhuǎn)錄組的三維重構(gòu)

研究人員收集了果蠅胚胎晚期及幼蟲期共5個(gè)階段的樣本的所有冷凍切片進(jìn)行Stereo-seq測序，并開發(fā)了一個(gè)用于樣本三維重構(gòu)的流程座硕。研究人員首先在測序矩陣中提取樣本每一切片的二維區(qū)域弛作，并根據(jù)樣本切片的形狀及轉(zhuǎn)錄本的相似性進(jìn)行三維上的配準(zhǔn)，經(jīng)質(zhì)控华匾、聚類缆蝉、注釋后，得到了該樣本的三維重建模型（圖3A）。此外刊头，研究人員對重構(gòu)出的三維果蠅模型進(jìn)行校驗(yàn)黍瞧，發(fā)現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)與已知的果蠅解剖結(jié)構(gòu)高度吻合，對應(yīng)組織的標(biāo)記基因與先驗(yàn)研究結(jié)果一致原杂。

3. 果蠅晚期胚胎及幼蟲中腸亞區(qū)的鑒定

在果蠅的三維模型中印颤，基于亞聚類和標(biāo)記基因鑒定，研究人員發(fā)現(xiàn)代表前腸和中腸等復(fù)雜組織的三維聚類可以進(jìn)一步細(xì)分為更精確的亞區(qū)穿肄。通過整合單細(xì)胞基因表達(dá)圖譜和其他多模態(tài)數(shù)據(jù)（如空間位置信息）識別相關(guān)基因模塊年局，研究人員鑒定了5個(gè)發(fā)育階段的樣本中空間不同、功能不同的基因模塊咸产，并發(fā)現(xiàn)隨著生物體的成熟矢否，編碼蛋白質(zhì)或淀粉消化所需的糜蛋白酶、胰蛋白酶和淀粉酶的基因家族的表達(dá)水平在胚胎和幼蟲發(fā)育過程中增加（圖4A脑溢、4B）僵朗。最后研究人員將這些基因模塊在三維重建的中腸模型中可視化，觀察到樣品在每個(gè)階段沿消化道分布3~4個(gè)不同的模塊屑彻，且編碼消化酶的基因呈現(xiàn)出不同的空間和時(shí)間動態(tài)模式（圖4C验庙、4D）。這一發(fā)現(xiàn)揭示了果蠅發(fā)育過程中消化道功能基因的動態(tài)的時(shí)空特征社牲，并為深入研究胚胎發(fā)生過程中中腸區(qū)域的變化提供了線索粪薛。

4. 果蠅幼蟲精巢細(xì)胞的時(shí)空狀態(tài)分析

為了探究果蠅體內(nèi)細(xì)胞狀態(tài)及其轉(zhuǎn)化，研究人員使用三齡（L3）幼蟲精巢的橫切面進(jìn)行亞聚類和空間基因表達(dá)分析搏恤。通過整合Stereo-seq空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)以及scRNA-seq數(shù)據(jù)集违寿，鑒定了精子發(fā)生過程中的各種細(xì)胞類型，包括不同階段的精原細(xì)胞和初級精母細(xì)胞（圖5A~5C）熟空。通過RNA速率分析（圖5D）藤巢，繪制了幼蟲精巢中精子發(fā)生的空間轉(zhuǎn)錄動力圖譜。研究人員還對具有高空間速度的基因進(jìn)行擬時(shí)分析及富集分析（圖5E~5G）痛阻，構(gòu)建了從精原細(xì)胞到早期初級精母細(xì)胞再到晚期初級精母細(xì)胞的時(shí)空動力模型菌瘪。

5. 果蠅發(fā)育過程中基因時(shí)空調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

為了探究果蠅發(fā)育過程中基因的空間調(diào)控，研究人員使用SCENIC（single-cell regulatory network inference and clustering）分析了空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)錄因子（transription factors阱当，TFs）的空間活性（圖6）俏扩，如中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的Rbp6、脂肪體中的srp等轉(zhuǎn)錄因子與原位雜交結(jié)果高度吻合弊添，并揭示了部分未知轉(zhuǎn)錄因子（中樞神經(jīng)系統(tǒng)特異性CG16779）的潛在調(diào)控活性录淡。

總結(jié)

這項(xiàng)研究，利用華大自主研發(fā)的高分辨率油坝、高靈敏度的時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq嫉戚，分析了發(fā)育過程中果蠅轉(zhuǎn)錄組的時(shí)空變化刨裆，證明了Stereo-seq數(shù)據(jù)可用于果蠅晚期胚胎和幼蟲的空間轉(zhuǎn)錄組的三維重建。通過進(jìn)一步分析彬檀，研究人員確定了果蠅晚期胚胎和幼蟲中腸的功能亞區(qū)帆啃，揭示了幼蟲精巢的時(shí)空細(xì)胞狀態(tài)動力學(xué)變化，并揭示了轉(zhuǎn)錄因子在空間中已知的和潛在的調(diào)控機(jī)制窍帝。這些研究和發(fā)現(xiàn)提供了全面詳實(shí)的數(shù)據(jù)和信息資源努潘，為深入和系統(tǒng)進(jìn)行果蠅發(fā)育生物學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

Wang M, Hu Q, Lv T, et al. High-resolution 3D spatiotemporal transcriptomic maps of developing Drosophila embryos and larvae[J]. Developmental Cell, 2022.