標題：A single-cell molecular map of mouse gastrulation and early organogenesis
期刊：Nature.
影響因子：49.96
導讀
單細胞測序技術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錄組的水平，應用到發育領域后，我們便可從整體基因表達的尺度上描述胚胎發育的軌跡。本文主要探討原腸形成這一個關鍵的發育事件，在此期間，胚胎多能細胞分化成譜系特異性的前體，而后產生成年有機體。實驗人員對受精后 6.5 - 8.5 天的 9 個連續時間點收集的小鼠胚胎中 116,312 個單細胞的轉錄譜進行繪制，構建了從多能性到所有主要胚胎譜系的細胞分化的分子圖，并探索了內臟和原條來源的內胚層聚合的復雜事件。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出缺陷，從而證明了結合時間和轉錄信息如何能闡明基因功能。總之，這種對哺乳動物細胞在體內分化軌跡的全面描述，代表了理解基因突變在發育過程中的影響的基線，以及優化再生醫學體外分化過程的路線圖。
科學問題
原腸胚形成時期有著怎樣的發展軌跡，涉及怎樣的分子過程？
實驗設計
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 天不同發育時長的小鼠胚胎，發育時長每隔 6 小時劃分為一組，共 9 組樣本。
測序平臺
10X genomics
實驗思路
實驗結果
1、早起胚胎發育階段對于單細胞圖譜的繪制
通過測序對各種細胞類型加以區分，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育過程的數量變化，出現與消失時刻。
圖 1 小鼠原腸胚形成和早期器官發生的單細胞分辨率圖譜
2、內胚層細胞發育圖譜繪制
研究者進一步在分子水平上研究原條來源的內胚層與內臟內胚層來源的細胞的匯合。為此，他們按照內臟內胚層、前原條、內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胚層，前腸，中腸和后腸包括細分亞群在內的共 7 個類群（圖 2a，b，c）。鑒于腸道發育在空間上存在一定的復雜度，研究人員基于擬時序構建了從前到后模擬空間順序的細胞類群分布圖（圖 2f）。根據基因表達的分析，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臟內胚層（VE）或內胚層（DE）的概率，繪制了圖示的分化軌跡（圖 2h）。
圖 2 內胚層發育早期的分子轉化和隨后的分化
3、血液內皮細胞譜系的起源
在卵黃囊中紅細胞會連續生成兩波，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，造血內皮細胞，外周血祖細胞，內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：內皮細胞，Ery：紅細胞，Haem：造血內皮祖細胞，Mes：中胚層細胞，Mk：巨核細胞，My：骨髓細胞）中的推定分化軌跡。內皮細胞在卵黃囊、尿囊和胚體中獨立產生，研究人員對來自不同解剖結構進行分離，分選純化并測序，將這些內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皮細胞中觀察到的轉錄異質性（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)，這是以前報道的產生小膠質巨噬細胞的 E8.5 類 emp 群體的標志物。
圖 3 血液出現的時間分析揭示出早期骨髓細胞
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。在培養至 8.5 天時，實驗人員將兩種細胞分選開來并測序，結果表明 td Tomato+ 細胞沒有促成任何造血作用，對應到圖 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），研究人員發現 Tal1?/?在兩波造血作用中有著相似的轉錄狀態阻斷，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。
圖 4 將 Tal1?/?嵌合體映射到圖譜中識別出與血液內皮發育缺陷相關的分子狀態
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-
