单细胞分辨率下小鼠早期器官发生期全胚胎数字重建揭示原基决定区的跨胚层信号调控机制

本研究通过Stereo-seq技术结合细胞分割方法，首次在E7.5-E8.0小鼠胚胎中构建了单细胞分辨率的全胚胎空间转录组图谱。研究人员开发了SEU-3D可视化平台，鉴定了胚胎-胚外界面处的原基决定区(PDZ)，揭示了中内胚层谱系的空间图谱和跨胚层信号网络，为理解器官原基形成机制提供了重要见解。成果发表于《Cell》。

　　

哺乳动物胚胎发育过程中，早期器官发生阶段（E7.5-E8.0）是奠定器官形成蓝图的关键时期。这个阶段不仅涉及大量程序化的细胞命运决定事件，同时对发育扰动高度敏感。尽管单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术已能提供细胞类型组成和基因表达的全局视图，但如何在原生胚胎环境中重建空间转录组和细胞图谱仍是重大挑战。更关键的是，调控中胚层和内胚层谱系在早期器官发生中的空间起源和分子机制仍不清楚，这限制了对先天性畸形发病机制的理解。

东南大学等机构的研究团队在《Cell》发表的研究中，通过整合Stereo-seq空间转录组技术和细胞分割方法，对6个小鼠胚胎的285个连续切片进行分析，获得了104,343个高质量细胞的单细胞分辨率全胚胎空间转录组图谱。研究开发了SEU-3D可视化平台实现三维"数字胚胎"重建，系统描绘了中内胚层衍生物的空间图谱，首次发现E7.75时期胚胎-胚外界面存在原基决定区(PDZ)，揭示了跨胚层信号网络协调心脏原基形成的分子机制。这项研究为理解早期器官发生提供了前所未有的空间资源，并为发育异常研究开辟了新途径。

关键技术方法包括：1)采用Stereo-seq对E7.5-E8.0期C57BL/6小鼠胚胎进行空间转录组分析；2)利用Cellpose进行基于ssDNA染色图像的细胞分割；3)开发SEU-3D平台实现三维数字胚胎重建；4)建立空间衰减模型量化细胞间信号通讯强度；5)应用Waddington最优传输(WOT)和Spateo算法进行谱系追踪。

【空间重建数字全小鼠胚胎】
研究团队通过Stereo-seq技术对6个完整小鼠胚胎进行测序，利用Cellpose算法基于ssDNA染色图像完成细胞分割，成功获得104,343个高质量细胞。通过开发SEU-3D可视化平台，研究者实现了单细胞分辨率的三维数字胚胎重建，该平台包含虚拟全mount原位杂交(vWMISH)、可定制视角的虚拟切片和Flatmap模块等功能。数字胚胎清晰展示了从E7.5到E8.0的形态学变化过程，如尿囊芽和节点的出现、心脏新月形结构的形成等。

【器官发生初期出现的空间基因表达模式】
运用SPARK-X算法鉴定出2,455个空间可变基因(SVG)，发现基因表达模式从E7.5的空间特异性向E8.0的组织特异性转变。研究特别关注了在胚胎-胚外界面以及前后轴中线区域共表达的基因，如Hox基因家族成员沿前后轴呈现共线性表达模式，其中Hoxa1在尾侧神经外胚层(CNE)高表达，而Hoxb1在前体节中胚层(PSM)更显著。

【原始肠管的发育景观】
通过空间聚类算法coFAST分析，研究者揭示了内胚层从杯状单层到前肠囊的结构转变过程。研究发现E7.5时期卵黄内胚层(VE)细胞富集于胚外-胚胎界面，确定内胚层(DE)位于前中线(aML)附近，而肠内胚层位于外侧区域。到E8.0时期，前肠内胚层(aGE)和轴旁内胚层(PAE)分别通过背侧内陷贡献腹侧前肠(vFG)和背侧前肠(dFG)。值得注意的是，vFG1沿前后轴表现出明显的细胞异质性，Hhex、Pyy等基因呈现区域化表达。

【中胚层谱系的发育景观】
研究描绘了中胚层细胞类型的动态变化，发现心肌细胞(CM)祖细胞定位于前部胚胎-胚外界面。通过扩展胚胎模型分析，研究者证实心脏原基形成区存在转录预模式，Nkx1-2、Tbx6和Tcf15等标记基因沿前后轴依次表达。研究还鉴定出中胚层特异性基因Mesp1在E7.75时期呈现条纹样表达模式，将中胚层划分为前部(咽中胚层PM、轴旁中胚层PAM和体节中胚层SM)和后部(前体节中胚层PSM和神经中胚层前体NMP)。

【心脏原基的空间起源】
三维重建显示心脏祖细胞(CP)形成三层"新月形"结构。在E8.0时期鉴定出6个CP亚群，包括CM、近心区(JCF)、前部第二心区(aSHF1/2)和后部第二心区(pSHF1/2)。通过Spateo谱系追踪发现，90.6%的E8.0 CM细胞来源于咽中胚层(PM)，而约10%来源于胚外中胚层(EEM)。空间分析表明第一心区(FHF)细胞位于PM和EEM细胞汇合处的胚胎侧，支持心脏新月形结构的多起源假说。

【E7.75前部胚胎-胚