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为探究视网膜发育过程，研究人员整合空间和单细胞转录组数据，揭示其细胞动态，提供研究资源。
视网膜作为眼睛的重要组成部分，其发育过程一直是生物学研究中的关键课题。在我们的视觉形成过程中，视网膜就像一台精密的 “生物相机”，负责捕捉光线并将其转化为神经信号，传递给大脑。然而，这台 “相机” 在胚胎时期是如何一步步构建起来的，其中的细胞如何分化、组织并形成特定的结构，这些问题长期以来吸引着科学家们的目光。
过去的研究虽然对视网膜发育有了一定的了解，但仍存在诸多空白。例如，视网膜细胞在发育过程中的定位变化情况，以及细胞间相互作用的具体机制，都还没有完全明确。此外，现有的研究在发育阶段的覆盖范围上也存在局限，尤其是受孕后 14 周（PCW14）之前的样本较为缺乏，这使得我们难以观察到某些视网膜细胞类型的早期分化和成熟过程。而且，对于视网膜疾病相关基因在发育过程中的时空特异性，以及细胞间通讯的体内机制，也都有待深入研究。
为了填补这些知识空白，复旦大学等机构的研究人员开展了一项关于人类视网膜发育的研究。研究人员通过对 6 个发育阶段的人类胎儿视网膜组织进行研究，结合空间转录组学（ST）和单细胞转录组学（scRNA-seq）技术，全面解析了视网膜发育过程中的基因表达变化、细胞类型分布以及细胞间的通讯网络。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，为深入理解视网膜发育机制提供了重要的线索。
在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：首先是样本采集与处理，从复旦大学附属妇产科医院获取人类胚胎视网膜样本，经过处理后进行后续实验。其次，利用 10x Genomics Visium 平台进行空间转录组测序，获取基因表达的空间信息。同时，结合已有的公开 scRNA-seq 数据，对视网膜细胞类型进行分析。此外，运用多种生物信息学分析方法，如 WGCNA（加权基因共表达网络分析）、差异表达分析、基因调控网络推断等，深入挖掘数据背后的生物学意义。
下面来看看具体的研究结果：
- 发育中人类视网膜的空间分辨转录组分析：研究人员对 PCW9 到 PCW17 的人类胎儿视网膜组织进行空间转录组测序，获得了大量的基因表达数据。通过对数据的分析，他们对每个测序点进行了精确的解剖学定位，并发现不同发育阶段和不同解剖区域的基因表达存在显著差异，这表明视网膜发育过程中基因表达具有明显的时空特异性。
- 视网膜发育过程中细胞分布的时空动态变化：通过对单细胞数据和空间转录组数据的整合分析，研究人员发现视网膜细胞类型在发育过程中的分布呈现动态变化。例如，视网膜祖细胞（RPCs）在神经母细胞层（NBL）中占主导地位，随着发育的进行，逐渐向内侧移动，同时分化细胞的比例逐渐增加。此外，不同细胞类型在视网膜的不同区域也有特定的分布模式，这为理解视网膜细胞的分化和组织形成提供了重要依据。
- 共定位空间域的时空分布和细胞身份：研究人员通过整合基因表达谱和空间邻接矩阵，识别出了 9 个共定位空间域，并发现每个空间域都与特定的细胞类型和生物学功能相关。例如，某些空间域富含光感受器细胞，而另一些则与视网膜神经节细胞（RGCs）等相关。这些结果揭示了视网膜发育过程中不同区域的细胞组成和功能差异。
- 功能基因模块的时空特异性：运用 WGCNA 方法，研究人员鉴定出了四个主要的基因模块，分别与轴突发生、细胞外基质组织、眼睛发育和光感受器细胞发育等功能相关。这些基因模块在不同的空间域和发育阶段呈现出特异性的表达模式，表明它们在视网膜发育过程中发挥着不同的作用。例如，在 NBL 的发育过程中，基因模块的主导类型发生了明显的变化，反映了该区域在发育过程中的功能转变。
- 视网膜发育过程中空间域的潜在调控基因：研究人员通过比较空间域的差异表达基因（DEGs）与已知的转录因子（TFs）和 RNA 结合蛋白（RBPs）数据库，发现了一些潜在的关键调控基因。有趣的是，在发育阶段转换过程中，上调的调控基因中 RBPs 的比例较高，这提示了 RBPs 在视网膜发育中的重要作用。此外，研究人员还重建了基因调控网络，进一步确定了一些关键 TFs 的调控功能。
- 发育中视网膜空间域的生物医学相关性：研究人员分析了视网膜疾病相关基因在不同空间域的表达模式，发现大多数视网膜疾病相关基因在富含光感受器细胞的空间域中表达较高，这表明这些区域可能与视网膜疾病的发生发展密切相关。此外，研究还发现与脂肪酸和脂溶性维生素代谢相关的基因在视网膜发育过程中也有特定的表达模式，为研究营养因素对视网膜发育的影响提供了线索。
- 空间细胞通讯揭示关键配体 - 受体相互作用：通过重建空间细胞通讯网络，研究人员发现细胞间的信号主要在不同视网膜层之间传递，且某些配体 - 受体（L - R）相互作用在视网膜发育过程中起着关键作用。例如，MDK - LRP1 相互作用在空间细胞通讯中具有最高的得分，可能对 RGCs 的成熟起到重要的调控作用。
在研究结论和讨论部分，研究人员通过构建人类胚胎视网膜的时空转录组资源，全面揭示了视网膜发育过程中的细胞动态变化，包括细胞类型的分化、空间分布以及细胞间的通讯网络。研究发现了一些潜在的视网膜干细胞区域，为视网膜再生医学提供了新的思路。此外，研究还强调了 RBPs 在视网膜发育中的重要作用，这为进一步研究视网膜发育的调控机制提供了新的方向。
然而，该研究也存在一定的局限性，例如由于获取胚胎视网膜样本的困难，每个发育阶段的样本缺乏生物学重复，这可能影响研究结果的可靠性。未来，随着技术的不断进步和更多样本的获取，有望进一步深入研究视网膜发育的分子机制，为视网膜疾病的诊断和治疗提供更坚实的理论基础。
