从原肠胚形成到器官发生过程中，以亚细胞分辨率进行的全胚胎空间转录组学研究

《SCIENCE》：Whole-embryo spatial transcriptomics at subcellular resolution from gastrulation to organogenesis

基因表达模式揭示胚胎发育机制，通过开发weMERFISH技术实现斑马鱼胚胎亚细胞分辨率的多基因表达分析，整合单细胞多组学及染色质可及性数据构建覆盖胚胎发育全过程的基因表达与调控图谱，阐明基因动态调控与细胞运动协同作用形成组织边界机制。

　　

编辑总结

发育生物学中的一个核心挑战是可视化基因表达模式在胚胎中的组织方式以及它们在形态发生过程中的变化。以往的方法通常仅限于少数基因，或者缺乏足够的空间分辨率。Wan等人对整个斑马鱼胚胎进行了亚细胞级别的分析，并将数百个基因的转录本置于精确的空间环境中。通过将这些信息与全基因组单细胞表达数据和染色质可及性数据相结合，他们创建了一个全面的胚胎发生图谱。结合活体成像技术，这一资源阐明了基因调控和细胞运动是如何协同作用以在发育过程中形成组织和边界的。——Stella M. Hurtley

结构化摘要

引言

可视化基因表达模式对于揭示脊椎动物发育的原理至关重要。大多数分析基于相对较少的基因数量，或者依赖于具有有限空间信息的单细胞基因组学方法。因此，系统地研究脊椎动物基因表达模式的全部多样性和动态性，并剖析其与基因组元素和细胞运动的关联一直很困难。

研究背景

早期的研究已经证明了空间转录组学技术在同一组织中绘制多个基因表达图谱的潜力。本研究的目标是将这些技术扩展到能够以亚细胞分辨率系统地检测整个胚胎中的mRNA分子，并创建用于探索基因表达、调控区域和形态发生运动的全基因组图谱。

结果

我们开发了一个基于多重错误鲁棒荧光原位杂交（weMERFISH）技术的整个胚胎成像平台。该空间转录组学技术能够在从原肠胚到早期器官形成阶段的整个斑马鱼胚胎中以亚细胞分辨率检测495个基因的转录本。通过结合单细胞多组学数据进行的计算推断，我们重建了超过25,000个基因的空间表达情况以及近300,000个染色质区域的空间可及性，从而形成了在线图谱MERFISHEYES（https://schier.merfisheyes.com）。我们发现亚细胞水平的RNA定位具有基因特异性和动态性，而组合基因表达提供了高精度的位置信息。基因常常在多种相关类型的细胞中表达。对可及染色质区域的分析支持了这样一个观点：表达模式的多样性是由专门的调控元件组合产生的，同时也揭示了一些在多个相关领域都可及的染色质区域。此外，细胞成熟和形态发生运动与基因表达动态同步。通过MERFISH-FATE与体内细胞追踪数据的整合，我们发现相似的表达模式可以通过不同的调控动态产生，而清晰的组织边界则是通过基因表达的变化而非细胞分选形成的。

结论

weMERFISH技术能够在整个胚胎中对数百个基因进行高分辨率的空间转录组学分析。全基因组图谱有助于探索基因表达和调控区域的空间模式及其与形态发生运动的关联。这些工具和观察结果为整合多种模式以在全球范围内重建和分析胚胎发生过程奠定了基础。

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weMERFISH方法及其关键发现概述。

weMERFISH技术能够在亚细胞分辨率下对整个斑马鱼胚胎进行空间转录组学分析，测量495个基因的转录本，并通过与单细胞多组学数据的整合，推断出25,872个额外的表达模式和294,954个染色质区域的可及性。由此产生的基因表达和染色质可及性图谱可在https://schier.merfisheyes.com上查看。基因经常在多种组织中表达，这种表达受到特定组织的顺式调控元件的支持。RNA的移动速度表明转录动态与细胞成熟和形态发生运动同步。结合活体成像数据可以揭示基因表达动态，并证明清晰的组织边界是通过局部转录变化而非细胞分选形成的。

摘要

基因表达模式是发育的基础，但在整个胚胎中系统地检测这些模式一直很困难。我们引入了一种基于多重错误鲁棒荧光原位杂交（weMERFISH）技术的整个胚胎成像平台。我们以亚细胞分辨率量化了斑马鱼胚胎中495个基因的表达情况，并生成了一个在线图谱，详细记录了25,872个基因在胚胎发生过程中的表达情况以及294,954个染色质区域的可及性。表达模式通常由特定组织的可及调控元件组合而成，表达变化与细胞成熟和形态发生过程一致。结合活体成像数据发现，相似的表达模式可以通过不同的调控动态产生，同时表明清晰的组织边界是通过基因表达的变化而非细胞分选形成的。这些结果确立了多重化的整个胚胎空间转录组学方法，并揭示了胚胎基因表达模式的调控机制和动态特性。