近日，南方科技大学医学院药理学系副教授胡宇慧团队与深圳华大生命科学研究院在发育生物学期刊Developmental Cell上合作发表文章“High-resolution 3D spatiotemporal transcriptomic maps of developing Drosophila embryos and larvae”。该团队利用华大基因最新开发的时空转录组学平台Stereo-seq，首次实现了遗传学模式生物黑腹果蝇胚胎的三维空间转录组构建。 该项研究也是全球时空组学联盟STOC (SpatioTemporal Omics Consortium)首批发布的系列研究成果之一。包含该文章在内的Stereo-seq时空组学系列报道获选该期Developmental Cell杂志的封面。

       黑腹果蝇是在遗传和发育等领域广泛使用的模式生物（图1），探寻其胚胎发育和器官生成等方面的工作，为哺乳动物发育保守进程以及疾病发生机制的研究提供深刻的启示。由于胚胎和组织的形成是众多基因和信号通路协同工作的复杂过程，结合基因表达的时间和空间信息，在全基因组尺度上对发育过程的系统进行分析，对详细探究胚胎和组织的形成至关重要。由于果蝇胚胎微小的体积（约0.5毫米），发育相关的基因表达解析至今仍局限在每次仅研究个别几个基因的阶段。对基因表达的空间特征研究，过去也仅通过mRNA原位杂交来实现。但因其实验过程繁琐复杂，且每次仅能完成单个基因的研究，难以实现在基因组规模的系统解析。

图1 ：黑腹果蝇的生命周期

利用华大基因新近研发的时空转录组平台Stereo-seq，研究人员在约500纳米的高分辨率基础上高效灵敏地对果蝇胚胎及幼虫冷冻切片的mRNA进行了原位捕获，并对所得到的数据进行了空间可视化、聚类分群和组织器官的注释（图2）。在此基础上，研究人员成功构建了果蝇胚胎和幼虫切片的二维空间转录组图谱，并通过结合单个样本所有切片的二维空间转录组，重构了胚胎和幼虫的三维空间转录组。对这些高分辨率三维空间组的分析揭示了胚胎发育过程中消化道等组织的三维精细结构的产生、细胞命运的动态变化以及转录因子调控网络的三维空间分布 （图3）。该研究开启了在生物体层面和基因组尺度上对基因的三维空间表达图谱进行系统动态解析的新机遇，为胚胎和组织发育以及疾病发生过程中基因调控网络提供了完整的时空研究新角度。

图2： 基于三维转录组测序结果的果蝇胚胎器官和组织重构

图3 ：本研究的技术路线

南方科技大学生命科学学院生物系讲席教授陈炜课题组与华大生命科学研究院合作指导博士后王明月，胡宇慧课题组校长卓越博士后胡琪楠，华大生命科学研究院副研究员兰青，博士研究生吕天航、王宇航，硕士研究生向蓉、涂桢铖为该论文共同第一作者。深圳华大生命科学研究院细胞所所长刘龙奇，我校药理学系副教授胡宇慧，华大生命科学研究院院长徐讯、副研究员王晓山、生物信息领域首席科学家黎宇翔为共同通讯作者。

该研究得到深圳市基因调控和系统生物学重点实验室、深圳市孔雀团队项目、国家自然科学基金委青年基金项目、南方科技大学校长卓越博士后项目等经费支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2022.04.006 

供稿：医学院、生命科学学院

通讯员：廖丹

主图：丘妍

编辑：朱增光