Пространственно-временные транскриптомные карты целых эмбрионов мыши в начале органогенеза

Nature Genetics, том 55, страницы 1176–1185 (2023 г.) Процитировать эту статью

13 тысяч доступов

87 Альтметрика

Подробности о метриках

Для правильного эмбрионального развития необходима пространственно-временная оркестровка экспрессии генов. Использование одноклеточных технологий начало обеспечивать улучшенное разрешение ранней регуляторной динамики, включая детальное молекулярное определение большинства состояний клеток во время эмбриогенеза мышей. Здесь мы использовали Slide-seq для построения пространственных транскриптомных карт полных эмбриональных дней (E) 8,5 и E9.0, а также частичных эмбрионов E9.5. Чтобы подтвердить их полезность, мы разработали sc3D — инструмент для реконструкции и изучения трехмерных «виртуальных эмбрионов», который позволяет количественно исследовать региональные паттерны экспрессии генов. Наши измерения вдоль основных осей эмбриона развивающейся нервной трубки выявили несколько ранее неаннотированных генов с отчетливыми пространственными паттернами. Мы также охарактеризовали противоречивую транскрипционную идентичность «эктопических» нервных трубок, которые появляются у мутантных эмбрионов Tbx6. В совокупности мы представляем экспериментальную и вычислительную основу для пространственно-временного исследования целых эмбриональных структур и мутантных фенотипов.

Эмбриональное развитие требует точного определения времени и местоположения многочисленных процессов на молекулярном, клеточном и тканевом уровне1,2,3,4,5. Эти события управляются посредством пространственно-временного контроля экспрессии генов, который управляет спецификацией типа клеток, миграцией и локализацией6,7,8,9. Любое нарушение этой регуляции часто приводит к эмбриональной гибели или дефектам развития5,10,11. В конце гаструляции и начале органогенеза (эмбриональные дни (E) 8,5–9,5) ткани претерпевают серьезные морфологические изменения, такие как образование петель сердца, компартментализация мозга и сворачивание нервной трубки, чтобы гарантировать правильную структуру и функцию12,13,14. Посредством нейруляции эпителиальные клетки нервной пластинки сгибаются, образуя морфологически определенную трубку, которая демонстрирует стратифицированную сигнатуру экспрессии генов вдоль ее дорсовентральной (DV) оси, что необходимо для последующей диверсификации подтипов нейронов15,16,17,18,19,20 , 21. Многие гены, участвующие в этом процессе, были идентифицированы, но точные генные регуляторные сети, управляющие этими закономерностями, все еще находятся в стадии изучения. Недавние исследования одиночных клеток начали обеспечивать более глубокое понимание топографии спецификации судеб и выявили некоторые молекулярные механизмы, лежащие в основе этих переходов состояний клеток22,23,24,25,26,27,28. Одним из ограничений подходов, основанных на диссоциации, является их неспособность сохранять структуру ткани, что исключает анализ экспрессии в нативном контексте. Недавние достижения в технологиях пространственной транскриптомики начали заполнять этот пробел, стремясь изучить организацию типов клеток во взрослых тканях и развивающихся эмбрионах29,30,31,32,33,34,35,36,37,38.

В этом исследовании мы использовали Slide-seq, технологию, которая генерирует данные об экспрессии генов по всему транскриптому с пространственным разрешением 10 мкм33,39, для построения карт целых эмбрионов во время раннего органогенеза мыши. Наши данные позволили изучить пространственные закономерности экспрессии генов, распределение состояний клеток, реконструкцию трехмерных (3D) транскриптомных карт для «виртуального» анализа экспрессии генов и анализа мутантного фенотипа. Мы специально использовали эти данные для определения региональных траекторий экспрессии и дифференциации генов в космосе, уделяя особое внимание формированию и паттернированию нервной трубки. В целом, мы предоставляем комплексный пространственный атлас высокого разрешения вместе с доступным и готовым к использованию визуализатором для изучения закономерностей экспрессии генов в развивающемся эмбрионе мыши.

Чтобы пространственно картировать идентичность клеток во время раннего органогенеза, мы использовали Slide-seq на двух репрезентативных эмбрионах E8.5, одном E9.0 и трех частичных эмбрионах E9.5 (рис. 1a и расширенные данные, рис. 1a). Для двух эмбрионов E8.5 мы получили 15 и 17 сагиттальных срезов (толщиной 10 мкм) соответственно с интервалами примерно 30 мкм между ними. Для эмбриона E9.0 было получено 26 сагиттальных срезов с интервалом 20 мкм, а для трех эмбрионов E9.5 - 13 срезов от средней линии (рис. 1a и дополнительная таблица 1). В общей сложности мы получили 533 116 высококачественных бусинок со средним значением 1798 транскриптов и 1224 генов на бусину (расширенные данные, рис. 1b-d). Чтобы определить состояния ячеек, назначенные каждой бусине, мы вычислительно сопоставили бусины с ранее сгенерированной ссылкой на одну ячейку (расширенные данные, рис. 1e, f) 26. С помощью этой информации мы извлекли из каждого секвенированного шарика (1) пространственные координаты, (2) связанный профиль экспрессии гена и (3) назначение состояния клеток. В целом мы наблюдали хорошее выравнивание состояний клеток и пространственное ограничение маркерных генов, таких как Ttn (сердце), T (хвостовой зачаток), Meox1 (сомиты) и Sox2 (нервная трубка, мозг) и других (расширенные данные, рис. 2a). –е). Кроме того, мы наблюдали высокую воспроизводимость при восстановлении сопоставимого состава эмбрионов и моделей экспрессии генов среди повторов (расширенные данные, рис. 2c – f).