Integrated molecular-phenotypic profiling reveals metabolic control of morphological variation in a stem-cell-based embryo model：解析干细胞胚胎模型形态变异的代谢调控密码

本文通过整合分子和表型分析，研究干细胞胚胎模型（SEMs）表型变异的根源。发现氧化磷酸化和糖酵解的早期失衡会导致异常形态和神经谱系偏向，代谢干预可改善表型，为研究 SEMs 表型变异提供新框架，有望提高其在科研中的可重复性。

　　

研究背景

哺乳动物胚胎在子宫内发育，难以直接观察和操作。干细胞胚胎模型（SEMs）可模拟胚胎的许多特征，有助于深入研究胚胎发育机制。然而，SEMs 存在显著的表型变异，限制了其在基础和应用研究中的应用，且导致这种变异的生物学过程尚不清楚。

研究方法

1. 实验模型：利用小鼠胚胎干细胞（mESCs）构建类原肠胚（gastruloids）和躯干样结构（TLSs），模拟胚胎躯干发育。
2. 技术手段：结合高通量纵向成像和单细胞 RNA 测序（scRNA-seq），对个体结构的表达和表型进行分析。运用深度学习（DL）、稀疏主成分分析（SPCA）、偏最小二乘回归（PLSR）等方法处理数据，还使用机器学习（ML）和 DL 分类器评估特征空间和图像的预测能力。

研究结果

1. TLSs 的分化结果差异：TLSs 在发育过程中存在分化差异，约 40% 能成功形成体节和神经管，其余发育异常。异常表型包括组织发育不良、多轴形成等，且异常结构中神经中胚层祖细胞（NMPs）标记物 T^mCH+的体积分数和强度降低。
2. 表型变异的时间变化：通过对 768 个个体结构的物理特征进行分析，发现表型变异随时间增加。SPCA 分析确定了影响表型动态的关键特征，如基于大小和形状的特征可区分不同培养时间的结构，T^mCH相关特征能反映细胞状态的变化。
3. 基因表达的时间变化：scRNA-seq 结果显示，细胞状态和基因表达随时间变化。第 2 天，结构中的细胞处于不同的多能性状态；第 3 天，多数细胞获得原条、尾侧上胚层和尾侧神经外胚层的特征；第 4 天和第 5 天，NMPs 及其分化细胞的特征更为明显。
4. 结构间转录变异分析：结构间的细胞组成和基因表达存在显著差异，且随时间增加。第 5 天，成功和不成功的结构在体节和神经细胞比例上不同。通过计算高可变基因（HVGs），发现与胚胎发育相关的基因在第 4 天就表现出较高的变异。此外，结构间存在发育时间差异（异时性）。
5. 表型特征预测形态结局：PLSR 分析表明，第 3 天和第 4 天的 T^mCH水平、径向分布等特征可预测 TLSs 的最终形态。例如，较高的 T^mCH水平与成功的 TLS 形成相关，尤其是在单轴结构中。
6. 整合分析确定预测特征：通过整合表型和转录状态，发现 T^mCH特征与最终细胞组成相关。第 4 天 T^mCH+结构的比例和强度与第 5 天体节和神经模块得分相关，第 3 天的 T^mCH特征也能预测第 5 天的分化结果。
7. 代谢差异驱动表型变异：通过将伪批量转录组与预测特征相关联，发现糖酵解与成功的 TLS 形成相关。高糖酵解活性的结构更有可能形成成功的 TLSs，NMPs 中糖酵解和氧化磷酸化（OxPhos）的平衡影响分化结果。
8. 代谢测量验证代谢差异：测量氧气消耗率（OCR）和代谢物水平发现，成功的结构在第 3 天到第 4 天向糖酵解代谢转变，而不成功的结构代谢活性较低，糖酵解受损，OxPhos 代偿性上调，但仍存在能量代谢和氧化还原失衡。
9. 代谢干预改善分化结果：用鱼藤酮（rotenone）等药物干预代谢，发现促进糖酵解可改善 TLSs 的形态和细胞组成，抑制糖酵解则产生相反效果。例如，鱼藤酮可增加 NMP 池，平衡谱系分配；2 - 脱氧 - D - 葡萄糖（2DG）会破坏 TLS 形态，减少体节形成。
10. 代谢影响形态发生信号通路：代谢活性与 FGF/WNT 信号通路相关。较高的糖酵解活性与 FGF/WNT 基因表达增加有关，乳酸补充可部分抵消 2DG 的影响，表明代谢状态通过影响信号通路来调节胚胎躯干的形态发生。

研究讨论

1. 代谢在胚胎发育中的作用：研究揭示了糖酵解和 OxPhos 的平衡对 NMP 决策的调控作用，可能通过乳酸介导的 WNT 信号通路实现。这进一步强调了葡萄糖代谢在哺乳动物原肠胚形成和轴形成中的关键作用，不仅提供能量，还作为信号源控制发育进程。
2. 研究的局限性与展望：本研究存在一些局限性，如成像分辨率和样本量的限制，以及干预措施未考虑结构状态等。未来研究可增加样本量，结合实时预测进行个性化干预，探索代谢通量和分子机制，以更好地理解胚胎发育并提高 SEMs 的可重复性。
3. 研究的意义：本研究为揭示 SEMs 表型变异的机制提供了新视角，有助于提高 SEMs 在疾病建模、毒性研究等领域的应用潜力，还为控制胚胎发育过程中的模式形成和形态发生提供了理论基础。