果蝇单细胞3D时空多组学图谱揭示细胞类型分化的全景关键调控因子

本研究通过整合3D单细胞空间转录组(scStereo-seq)、单细胞转录组(scRNA-seq)和单细胞染色质可及性(scATAC-seq)数据，构建了覆盖果蝇从胚胎到蛹期发育全周期的多组学图谱Flysta3D-v2。研究人员利用Stereo-seq技术首次实现了发育过程中组织细胞类型分化轨迹的多模态重建，在中肠发育模型中鉴定出铜细胞特异性调控因子exex，并通过突变体实验验证其功能。该研究为理解时空维度下的细胞命运决定机制提供了系统性平台，相关成果发表在《Cell》期刊。

　　

在生命科学领域，理解多细胞生物如何从单一受精卵发育为功能完备的个体，始终是极具挑战性的核心问题。果蝇(Drosophila)作为经典模式生物，其发育过程蕴含着高度保守的调控机制，但传统研究方法难以捕捉时空维度下的分子动态变化。尤其在中肠等复杂器官中，细胞类型分化与区域特化的调控网络仍存在大量未知，这严重制约了我们对器官发育和再生的认知。

中国南方科技大学等机构的研究团队通过创新性整合多种前沿技术，构建了首个覆盖果蝇完整发育周期的3D时空多组学图谱Flysta3D-v2。该研究不仅系统解析了组织发育的分子轨迹，更鉴定出铜细胞分化的关键调控因子exex，相关成果发表在顶级期刊《Cell》上。这项突破性工作为发育生物学研究提供了全景式分析框架，对理解器官发生和细胞命运决定机制具有里程碑意义。

研究团队主要运用了三大关键技术：基于DNA纳米球阵列的高分辨率空间转录组技术(Stereo-seq)实现单细胞水平3D基因表达图谱构建；液滴微流控单细胞多组学技术同步获取转录组和染色质可及性数据；自主开发的Spateo计算平台完成多模态数据整合与3D模型重建。样本来源于果蝇胚胎至蛹期的57个发育时间点，包括43个胚胎、9个幼虫和5个蛹样本。

重建果蝇3D空间转录组

研究团队通过核染色辅助的细胞分割技术，在单细胞分辨率下获得了3,812,505个细胞仓的转录组数据。整合成像与测序数据后，成功重建了具有精细解剖形态的3D组织模型，包括首次报道的338个基因空间表达模式。

构建多组学分化轨迹

通过PhyloVelo算法整合scRNA-seq和scATAC-seq数据，绘制了三个胚层组织的连续分化轨迹。在脂肪体等组织中发现了转录因子crp与srp的协同调控网络，FISH实验证实两者在晚期胚胎中存在共定位现象。

组织分化模式的时空解析

空间映射分析揭示了两种分化模式：脂肪体呈现分散式分化，而前/后肠则显示集中式分化特征。3D模型显示不同发育阶段的细胞类型具有明确的空间分布规律，CytoTRACE分析证实了这种模式与细胞分化潜能的相关性。

中肠细胞多样性图谱

通过亚群分析鉴定了23个中肠细胞亚群，包括成体肠前体细胞(AMP)、肠内分泌细胞(EE)和肠上皮细胞(EC)三大类群。研究发现AMP和EE共享相同的祖细胞来源，且高表达自噬相关基因，提示其在维持中肠稳态中的特殊作用。

中肠功能区域化特征

基于1,452个区域标记基因的分析显示，胚胎中肠在发育13小时后开始形成类似成体的R1-R5功能区域。幼虫数据进一步证实，肠内分泌细胞亚型和AMP均呈现明确的区域富集特征，暗示干细胞区域特化的早期建立。

exex调控铜细胞发育的机制

多组学分析发现同源域转录因子exex在铜细胞谱系中持续保持高motif活性。功能实验表明，exex敲除会导致铜细胞标记物lab::GFP表达显著减少，且剩余细胞丧失铜离子依赖的自发荧光。进一步分析揭示exex通过调控kay和Jra表达影响lab活性，其与lab的共调控靶基因在铜细胞中呈现更强的空间聚集性。

这项研究通过创新性的多组学整合策略，建立了首个覆盖模式生物完整发育周期的时空分子图谱。Flysta3D-v2数据库不仅提供了超过380万个单细胞的数据资源，更重要的是揭示了细胞分化过程中转录调控的层级网络。特别是发现exex作为铜细胞发育的核心调控因子，拓展了我们对器官区域化分子机制的理解。该研究建立的技术框架和资源平台，将为发育生物学、再生医学和进化研究提供重要范式，推动单细胞多组学技术在生命科学各领域的应用发展。