哺乳动物原肠胚形成时空模型的挑战与机遇：从单细胞多组学到系统生物学整合

本综述系统探讨了构建哺乳动物原肠胚形成时空定量模型的机遇与挑战。文章重点讨论了如何整合单细胞多组学技术（scRNA-seq、scATAC-seq）、时空转录组学（ST）和谱系追踪技术，在时空维度解析细胞命运决定（cell fate decisions）的分子机制。作者提出通过建立时间分辨的"流模型"（flow model）来量化发育轨迹，并强调跨物种比较和计算建模在揭示进化保守规律中的重要性，为理解哺乳动物胚胎发育提供了系统性框架。

　　

哺乳动物原肠胚形成的时空建模挑战与机遇

引言：细胞多样性的系统生物学探索

细胞如何多样化并形成胚胎是生物学领域最具吸引力的挑战之一。随着生物学进入基因组时代，技术计算方法的快速融合使得构建定量启发式发育模型变得越来越可行。原肠胚形成作为胚胎发育的关键阶段，一群具有多能性的干细胞以高度规范的方式快速多样化，形成基本的身体蓝图。本综述重点讨论了建立时间分辨模型所需的考量，该模型需反映这一过程中涉及的细胞和分子特征。

哺乳动物原肠胚形成的主要特征

连续且规范的分化特性

脊椎动物胚胎发育涉及分化和广泛细胞增殖的并发过程。虽然发育过程随时间呈现明确的向前轨迹，但在细胞水平上，动力学更为复杂。胚胎遵循高度可预测的连续形态，这种形态稳健性对理解和研究发育具有重要意义。首先，它允许将胚胎发生过程视为一个定型化系统，通过充分采样可以测量所有可能的胚胎和细胞状态。其次，稳健性使得胚胎时间可以作为定量指标。传统上，胚胎时间基于妊娠年龄，但从交配或受精时间开始测量，个体间发育进程的变异很大。

确定性和概率性谱系树表征

从细胞角度看，发育涉及与不断变化的环境相互作用，指导一系列分化结果。在一些物种如秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）和水蛭（Helobdella triserialis）中，这些决策是高度确定性的，每个分裂的子细胞根据分裂方向以严格命定的方式分化。相比之下，棘皮动物、昆虫和脊椎动物表现出非确定性发育，谱系以更可塑和概率性的方式分配。小鼠4-16细胞胚胎的谱系追踪证明了在原肠胚形成前外胚层扩张阶段的近乎完全的细胞混合，内细胞团的所有细胞对成体组织的贡献相等。

当前谱系技术的机遇与挑战

遗传确定谱系层次仍然是定义细胞个体发育的关键组成部分。然而，构建哺乳动物命运图谱所需的技术仍在发展中。光学方法如全胚胎成像目前无法提供关于被追踪细胞特性的足够信息，而传统的预期单细胞标记技术如染料或质粒注射在时间分辨率和通量上有限。基于谱系相关基因活性的遗传标记受到此类标记可用性及其并行使用的限制。尽管单细胞测序技术与CRISPR-Cas9等遗传改变技术相结合提供了更完整的胚胎发生视角，但目标位点信息容量和单细胞水平测序效率等技术问题仍然构成重大挑战。

原肠胚形成的细胞状态流形

理解胚胎发生不仅需要追踪分化细胞间的谱系关系，还需要追踪它们在整个过程中经历的细胞内变化和非细胞自主相互作用。胚胎细胞承诺的概念框架深受Waddington著名隐喻的影响，即弹珠沿着发育景观滚下。这个隐喻优雅地描述了不断增加的多样化，同时为分化潜能的逐渐丧失提供了直观解释。随着单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术的成熟，正在生成越来越多的图谱，其中许多涵盖哺乳动物胚胎发生。这些无偏采样使能够构建细胞状态及其频率的转录流形景观。

从静态图谱到推断的转录动力学

定义顺序分期胚胎的细胞状态组成对于理解发育作为连续过程非常有信息量。为了从scRNA-seq数据表征细胞动力学，研究通常采用多种计算方法，主要基于推断的scRNA表达方向性推导分化轨迹。一个常见假设是转录相似程度与轨迹上的距离相关，细胞间较小的转录变化比较大的跳跃更可能发生。早期算法采用伪时间排序策略，可以生成 mostly 简单的 bifurcating 树结构，但整个生物体的发育并不遵循如此简单的路径。

时间分辨转录流模型用于推断细胞轨迹

轨迹推断的一个关键组成部分是发育时间。尽管scRNA-seq图谱通常作为发育过程的时间序列生成，但胚胎时间很少作为连续变量嵌入以指导轨迹分析。对来自同一小鼠胚胎的每个细胞根据其在发育连续体上的相对位置分配离散时间戳提供了几个关键见解：从整个数据集构建的元细胞包含来自广泛胚胎时间谱的细胞，这一发现反对高度同步的分步分化模式；使用基于转录的胚胎时间能够将形态发育与细胞类型组成的动态变化联系起来。

将流模型实施于胚胎发生研究

指导分化的细胞内机制

时间分辨模型能够对细胞间时间关联进行自信的定量陈述，可以为谱系关系、同步性和组织间相互依赖提供线索。除了模拟自然发育过程外，时间分辨流模型在阐明指导细胞多样化机制方面具有巨大潜力，例如通过基因扰动后细胞表型的定量评估。通过将操作的胚胎干细胞注射到预植入野生型囊胚中生成嵌合体胚胎是一种有效的实验技术，并且可以从单个实验中获得数十个混合来源的植入后胚胎。

绝对时间的跨物种比较

使用时间为轨迹提供方向性并正确确定细胞命运决策的顺序基于这样的观察：对于每个生物体，存在一个 overarching 刚性发育时间表。如何在胚胎外部没有计时机制的情况下实现这种协调远非简单。尽管在很大程度上，即使是远缘物种也遵循相同的发育事件序列，但发育的节奏和持续时间可能极其可变。虽然关键主调节基因的周期性振荡长期以来被认为是体节发生等循环过程的基础，但这些不能完全解释胚胎节奏，特别是在种间变异的背景下。

指导分化和胚胎模式的细胞相互作用

在清晰起点（如受精）锚定的过程中检查细胞多样化，凸显了理清细胞外在与细胞内在线索在驱动分化中相对作用的挑战。无论这个过程如何启动，很明显动态信号影响细胞水平的基因调控，这反过来又影响局部信号。这种动态反馈支撑着胚胎模式形成。小鼠前后轴形成的广泛研究案例例证了这种复杂性。植入后，小鼠胚胎发展出蛋筒状结构，具有相对于植入部位的固有近远轴。

信号功能因果推断的挑战

实现胚胎发生过程中信号功能的因果推断远非简单。首先，信号通常是高度组合性和动态的，涉及多种通路。其次，信号可以在距其产生源的可变距离上运作，并引发浓度依赖性效应。尽管通过遗传扰动（如功能丧失实验）获得了我们对早期胚胎发生过程中信号功能的大部分当前理解，但表型的解释通常因下游效应的传播而复杂化，这些效应可以跨越空间和时间改变信号景观。

通过跨物种比较推断信号功能

虽然哺乳动物发育遵循共享的一般模式，但早期胚胎发生在物种间直到种型阶段是广泛变异的。这种多样性是外显而易见的，例如通过不同的植入策略、内细胞团的存在或啮齿类特征性的杯状胚胎几何组织与灵长类更普遍的双层盘形状。同时，虽然胚胎细胞类型在物种间 largely 保守，但胚外组织在形式和功能上可能差异很大。鉴于胚外组织在原肠胚形成中的核心信号作用，理解这些组织在不同组织 alongside 其不同组织如何进化以解析为相似胚胎身体蓝图是引人入胜的。

迈向胚胎发育的时空模型

如上所述，单细胞技术可用于解决发育生物学领域的许多实验挑战。然而，这些工具有一个显著限制：虽然全胚胎单细胞分析提供了组成胚胎的细胞状态的高度整体视图，但与此同时，这种视图将胚胎还原为无定形的细胞谱云， largely devoid 其实际形态或空间信息。空间技术和活体显微镜的激动人心突破对于实现真正的胚胎发生时空转录模型这一宏大挑战非常 instrumental。

尽管当前空间技术在提供空间背景方面具有巨大优势，但单细胞分辨率的下游分析仍然具有挑战性。具体来说，每个细胞检测到的转录本总数较低，加上 confident 分割的挑战，限制了 resulting 数据的质量。此外，虽然任何给定组织切片的分析细胞总数可能非常高，但对于复杂结构（如胚胎），任何给定切片将提供其整体组成的偏倚表示。因此，当旨在实现整个胚胎的单细胞覆盖，或者更甚者，用于时间序列分析或突变表型分析的大型胚胎队列时，传统单细胞技术仍然显著更实用。

与破坏性组学技术相反，活体成像的进步，如光片显微镜，结合改进的植入后体外培养，允许在完整胚胎中连续观察发育过程。对于研究胚胎的生物物理特性和细胞运动，活体成像提供了许多仅通过分子分析无法欣赏的发育过程见解。例如，发现不同的中胚层命运表现出 distinct 集体迁移模式，每种由特定信号通路调节。然而，活体成像方法只能提供被观察细胞内部组成的有限视图。随着我们朝着构建越来越全面的时空模型迈进，统一策略将是推动发育生物学变革性转变的关键。

展望

受精卵如何多样化形成复杂多细胞生物可能是一个不可计算的问题—— arguably 不能仅从第一原理解决。然而，生命科学已经进入了一个变革性的新时代，由定量基因组框架定义，现在带来了模拟这一基本过程的机会。专注于哺乳动物原肠胚形成及其规范性质，我们设想开发一个时空流模型，基于从紧密采样的个体胚胎测量的单细胞转录、谱系和位置输入。当与谱系关系信息整合时，该模型支持基于个体发育的细胞状态和类型的通用命名法。

快速技术进步在互补领域，如单细胞蛋白表达、细胞力学、表观遗传学和活体成像，承诺提供将进一步增强和精炼该模型的数据层。令人兴奋的是，可以设想这样一个基础模型大大增强我们对基因调控表观遗传原因和效应的理解。因此，来自各种表观基因组模态的单细胞多组学数据的输入可以用作机器学习算法的训练数据，以生成关于调控的可测试假设。旨在模拟胚胎发生的体外模型，如 gastruloids 和基于干细胞的全胚胎系统，正在迅速涌现。

这些发展开辟了新的令人兴奋的可扩展、实时追踪形态发生的途径，以及通过显著减少动物工作需求提供伦理优势。此类模型能够实现高通量功能分析，例如功能丧失筛选、cCRE 测试和信号通路组合调制。这些数据集既可以增强基础模型的预测能力，又可以验证或拒绝假设驱动的结果。最后，作为全球社区努力的一部分，正在为发育、健康和疾病中的多个物种生成极其丰富的表示。在此类生物范围框架内使用定量分子表型可以形成下一代单细胞授权的哺乳动物和其他进化枝比较研究的基础，具有真正深远和令人兴奋的意义。