解码生命“时空密码”，为果蝇拍摄超清3D电影

动物发育是基因和细胞在时间和空间维度上精密合作的复杂过程。以果蝇为例，它的发育过程大致需要经历四个阶段:卵子、幼虫、蛹和若虫。如果说这个生长过程是一部精准的“生命歌舞剧”，那么每个细胞什么时候什么地方“出现”呢?、如何成为特定的细胞类型，都是由基因“剧本”控制的。然而，长期以来，科学家很难完全理解发展时空动态背后的控制机制。

6月26日，杭州华大生命科学研究院与南方科技大学联合发布了《细胞》的最新研究成果。研究小组创建了解码动物发育阶段的多模态数据集，通过时空组学技术Stereo-seq和各种单细胞组学测序技术，生成了果蝇整个发育周期的3D单细胞时空多组学图。

该研究结果系统分析了果蝇细胞类型分化的时空动态和核心控制网络，为发育生物学研究提供了前所未有的分子参考，为发育缺陷和相关疾病机制研究奠定了重要保障。

“生命相机”拍摄果蝇的“生命歌舞剧”

研究团队基于华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，scRNA-seq和单细胞组合技术scATAC-seq，采样每0.5小时至2小时的果蝇胚胎、幼虫和蛹期的每个关键阶段，生成空间分辨率超过380万的单细胞转录组，利用Spateo算法重建高精度3D模型，准确分析组织形态和基因表达的空间动态。

“时空组学技术就像用一台非常‘生命摄像头’拍摄了一部分辨率极高的3D电影，可以清楚地看到每个细胞在什么时候、什么地方打开了哪些基因。”论文由华大生命科学研究院第一作者、重点科学家王明月介绍。

在这部果蝇发育的“生命歌舞剧”中，细胞是如何决定自己是神经细胞还是肌肉细胞的?通过整合数据，研究团队构建了果蝇胚胎发育的“分化轨迹地图”，分析了细胞命运决定的关键分子机制。

通过跟踪“演员”的位置，研究表明，不同胚层的细胞会沿着特定的路径分化，而转录因子就像“导演”一样，指挥细胞通过激活或抑制基因来扮演特定的角色。例如，研究表明，许多以前没有被检测到的转录因子在神经、肠道和内分泌系统中起着关键作用。这就像在剧本中发现了隐藏的重要情节，扩大了人们对发展调控的认识。

王明月解释说:“果蝇是生物学研究中最重要的模式生物之一，在遗传学、发育生物学、神经生物学、生物学等领域具有不可替代的地位。此外，果蝇与人类共享约70%的疾病相关基因，了解其发育阶段和基因调节机制，可以帮助我们更好地探索生命发育等关键科学问题，为人类发育领域的相关研究提供参考。”

揭示与发展相关的关键转录因子

通过综合分析，研究团队首次在单细胞水平上揭示了果蝇组织分化起源的空间模式，基于构建的果蝇3D多组学图谱。

他们发现，果蝇脂肪体的分化是分散的模型，其细胞类型在空间中混合分布，没有形成集中的干细胞簇，与早期胚胎发育中分散的前体细胞分布一致。然而，果蝇前后肠的分化是集中的，细胞类型根据发育阶段聚集在特定的空间区域。“果蝇的脂肪体是哺乳动物肝脏的同源器官，而前后肠分别与哺乳动物的食道和胃/大肠同源。这些发现为了解如何形成哺乳动物胚胎的肠道提供了新的证据。”南方科技大学教授胡琪楠介绍了这篇论文。

值得注意的是，研究人员还利用时空组学技术动态描述了果蝇中肠细胞类型的动态变化及其空间布局规律。他们发现果蝇的中肠已经在胚胎期开始了空间布局，在蛹期分化为聚集金属离子代谢相关基因的内层和表达抑菌基因的外层。它们具有不同的功能;在幼虫期，果蝇的中肠干细胞“预习”了未来的分工，表现出区域特异性基因表达的差异，为成年后不同区域的细胞再生提供了发育基础。

像体内的“金属管家”一样，果蝇中肠的铜细胞是维持金属离子平衡和胃酸分泌的关键细胞，其功能障碍可能导致代谢紊乱。研究小组首次发现了转录因子exex，它在铜细胞发育中起到了核心调节作用。

在铜细胞分化初期，exex高度表达和驱动下游基因活性，即使在铜细胞成熟后，它仍然继续控制关键靶基因;如果击落exex，铜细胞的数量会急剧下降，形态异常，铜离子无法积累，这验证了exex对铜细胞分化和功能保持的重要性。这些发现揭示了果蝇中肠金属稳态控制的新机制，为人们肠道等器官的发育过程提供了参考。

“在此研究的基础上，完成了单细胞分辨率，补充了单细胞转录组等组学数据，从而构建了第一个3D多组果蝇发育周期的图谱，为了了解动物发育机制提供了全新的分子观点。此外，研究团队通过多组学习技术的交叉整合，系统地描述了经典模式果蝇的发育阶段，以更简单高效的方式，为包括人类在内的其他生物的发育研究提供了参考。”文章共同通信作者、华大生命科学研究院研究员刘龙奇说。