中科院研究員成功建立小鼠早期胚胎空間轉(zhuǎn)錄組圖譜

3月22日，國際知名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》子刊《發(fā)育細(xì)胞》在線發(fā)表了中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所景乃禾研究組與中科院-馬普學(xué)會(huì)計(jì)算生物學(xué)伙伴研究所韓敬東研究組合作的最新研究成果“Spatial Transcriptome for the Molecular Annotation of Lineage Fates and Cell Identity in Mid-Gastrula Mouse Embryo”，并被選為該刊當(dāng)期的亮點(diǎn)文章。該研究結(jié)合激光顯微切割以及單細(xì)胞測序(Fluidigm BioMark HD基因分析系統(tǒng))等先進(jìn)技術(shù)，繪制了小鼠早期發(fā)育原腸運(yùn)動(dòng)中期精細(xì)的胚胎三維分子圖譜，并揭示了小鼠細(xì)胞譜系藍(lán)圖建立過程中的空間轉(zhuǎn)錄組特征、轉(zhuǎn)錄因子和信號(hào)通路調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

原腸運(yùn)動(dòng)是高等動(dòng)物早期發(fā)育中一個(gè)極其重要且高度保守的生物學(xué)過程。多潛能的早期胚胎在原腸運(yùn)動(dòng)中發(fā)生了劇烈的細(xì)胞增殖和細(xì)胞遷移，分化為外、中、內(nèi)三個(gè)主要的胚層，成為全部體細(xì)胞的前體。此過程確立了整個(gè)胚胎的發(fā)育藍(lán)圖，并且不同細(xì)胞在胚胎中的空間位置決定了其未來的分化潛能和發(fā)育方向。因此，對早期胚胎進(jìn)行空間位置特異的轉(zhuǎn)錄組分析，可以解析早期胚胎發(fā)育命運(yùn)決定的分子機(jī)制，對預(yù)防相關(guān)的早期發(fā)育疾病也有十分重要的意義。在景乃禾研究員指導(dǎo)下，彭廣敦博士以及博士研究生陳軍，建立了基于激光顯微切割和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序的空間轉(zhuǎn)錄組分析方法，完成了小鼠原腸運(yùn)動(dòng)中期（E7.0）單個(gè)胚胎組織切片位置特異的轉(zhuǎn)錄組測序。在韓敬東研究員的指導(dǎo)下，博士生索生寶對這些高通量數(shù)據(jù)進(jìn)行了生物學(xué)信息學(xué)分析。該項(xiàng)工作發(fā)現(xiàn)并鑒定了許多新的胚層特異標(biāo)記基因，構(gòu)建了整個(gè)原腸運(yùn)動(dòng)中期高質(zhì)量的全胚胎基因表達(dá)三維分子圖譜，使得小鼠這一時(shí)期兩萬多個(gè)基因的表達(dá)能夠以電子原位雜交的形式得到完全的呈現(xiàn)。更重要的是，該項(xiàng)工作還鑒定了一組能夠代表E7.0時(shí)期發(fā)育狀態(tài)和特異空間結(jié)構(gòu)域的標(biāo)志基因，這些基因具有類似“郵政編碼”（zip code）的標(biāo)記功能，可以將外源的多能干細(xì)胞或者胚胎組織細(xì)胞“投遞”到體內(nèi)胚胎的特定位置，從而將未知來源的干細(xì)胞定位于體內(nèi)胚胎的相應(yīng)部位。這一研究結(jié)果，也為認(rèn)識(shí)干細(xì)胞的全能性與分化潛能以及干細(xì)胞轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了全新的視角和理論指導(dǎo)。

在研究過程中，課題組研究人員通過使用fluidigm的Biomark HD基因分析系統(tǒng)完成了復(fù)雜的高通量定量PCR檢測，對RNAseq的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的研究分析。研究人員首先對cDNA的特定靶序列進(jìn)行擴(kuò)增，然后分別將樣本和引物等微升級(jí)反應(yīng)體系，通過微流控技術(shù)加樣到芯片樣本上。準(zhǔn)備好芯片后，將其轉(zhuǎn)移到Biomark HD系統(tǒng)中進(jìn)行40個(gè)循環(huán)的擴(kuò)增，擴(kuò)增后的PCR再通過Fluidigm的SINGuLAR工具進(jìn)行整理和分析。利用這種方法，可在短時(shí)間內(nèi)對幾十個(gè)微量樣本進(jìn)行每個(gè)樣本數(shù)十個(gè)基因位點(diǎn)的高通量檢測。

該研究課題得到了中科院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家科技部和國家自然科學(xué)基金委的經(jīng)費(fèi)支持。該研究工作與國際著名發(fā)育生物學(xué)家、英國皇家科學(xué)院院士、澳大利亞悉尼大學(xué)Patrick Tam教授合作完成。

圖例：對小鼠原腸運(yùn)動(dòng)中期胚胎三維分子圖譜的繪制，使得早期胚胎發(fā)育不同胚層的分化（例如大腦、骨骼及肺分別代表的外胚層、中胚層、內(nèi)胚層）有了空間定位，相當(dāng)于提供了一套詳細(xì)的參考坐標(biāo)系。任何外源的干細(xì)胞通過對照此參考坐標(biāo)系，即能確立其未來的發(fā)育潛能和分化命運(yùn)。

下載全文: Spatial Transcriptome for the Molecular Annotation of Lineage Fates and Cell Identity in Mid-Gastrula Mouse Embryo.pdf

BioMark HD基因分析系統(tǒng)