《npj Systems Biology and Applications》：Combining in vitro and in silico approaches to model neural tube patterning and isthmic organizer formation
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在早期胚胎发育过程中，人类神经管通过细胞身份的时空区域化而形成和模式化，这一过程由基因调控对形态发生素梯度的响应驱动。然而，许多潜在机制仍不清楚。在此，研究人员整合了来自神经管模式化体外模拟的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据，以开发吻侧-尾侧和背侧-
在早期胚胎发育过程中，人类神经管通过细胞身份的时空区域化而形成和模式化，这一过程由基因调控对形态发生素梯度的响应驱动。然而，许多潜在机制仍不清楚。在此，研究人员整合了来自神经管模式化体外模拟的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据，以开发吻侧-尾侧和背侧-腹侧模式化的计算模型。通过将这些模型嵌入三维（3D）几何结构，研究人员揭示了瞬时形态发生素信号如何诱导与发育生物学和实验数据一致的不逆模式。值得注意的是，研究人员的框架准确捕捉了峡部组织者（isthmic organizer）在中脑-后脑边界处的形成和维持，提供了神经管模式化的真实和机制性图像。这种综合方法架起了体外实验和计算建模之间的桥梁，以揭示神经发育的基本原理。
神经管早期发育中，细胞命运通过基因调控对形态发生素梯度的响应进行空间区域化，然而许多潜在机制仍不清楚。为理解神经管模式化及峡部组织者（IsO）形成机制，研究人员结合体外实验与计算建模开展本研究。研究人员整合了来自微流体干细胞区域化（MiSTR）体外实验（基于H9人胚胎干细胞系）的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据，开发了吻侧-尾侧（R-C）和背侧-腹侧（D-V）模式化的基因调控网络（GRN）模型，并嵌入三维（3D）体素几何结构进行模拟。模型成功再现了神经管模式，包括前脑（FB）、中脑（MB）、后脑（HB）、背侧（D）、外侧（L）和腹侧（V）区域，并正确定位了峡部组织者（IsO）于中脑-后脑边界（MHB）。该研究首次实现了基于基因表达和形态发生素动力学的3D神经管模型，正确放置了IsO，揭示了瞬时形态发生素信号如何通过GRN拓扑结构维持不可逆模式，论文发表在《npj Systems Biology and Applications》。
主要关键技术方法包括：1）微流体干细胞区域化（MiSTR）体外实验系统，用于模拟神经管模式化并收集时空表达数据；2）单细胞RNA测序（scRNA-seq）和批量RNA测序数据采集及处理，通过UMAP降维和基于标志基因的聚类重建空间位置；3）基于Shea-Ackers形式主义的基因调控网络（GRN）建模，用于描述转录调控动力学；4）参数优化采用模糊自调整粒子群优化（FST-PSO）结合L-BFGS-B局部优化算法，以最小化模拟与实验数据间的代价函数；5）3D体素几何模拟，利用邻接矩阵处理扩散方程，模拟形态发生素（WNT、SHH、FGF）的梯度形成及GRN动态。样本队列来源于H9人胚胎干细胞（hESCs）在MiSTR装置中分化的组织。
**Time-resolved scRNA-seq gene expression data exhibits distinct and irreversible rostral-caudal and dorsal-ventral patterns**
通过分析MiSTR scRNA-seq数据，研究人员发现吻侧-尾侧和背侧-腹侧基因表达模式在形态发生素撤除后仍持续存在，表明瞬时信号诱导了不可逆的区域化。层次聚类确认了FB、MB、HB及D、V、L基因的分离，且早期与晚期标志基因分别聚类，支持模型优化。
**A rostral-caudal gene regulatory model containing a tri-stable network motif correctly reproduces patterning into forebrain, midbrain, and hindbrain regions**
研究人员优化了一个三稳态GRN模型（包含FB、MB、HB节点间的交叉抑制和自激活），模拟显示低GSK3i水平诱导FB，中等水平诱导MB，高水平诱导HB，且模式在撤除GSK3i后维持。模型与MiSTR数据拟合良好，表明三稳态开关机制确保了R-C区域化的不可逆性。
**An expanded rostral-caudal model distinguishes between early and late patterning, and accurately captures isthmic organizer dynamics**
为捕捉IsO形成和早期/晚期模式化差异，研究人员扩展了模型，整合了OTX2-GBX2双稳态开关（决定MHB位置）和IsO来源的WNT1/FGF8对MB的诱导。优化后模型正确再现了早期OTX2/GBX2边界、IsO的出现、MB诱导及晚期FB/HB基因表达，且IsO在撤除GSK3i后持续存在。
**A new dorsal-ventral model developed from our scRNA-seq data produces correct, sustained patterns**
基于文献模型，研究人员添加了D、L、V节点的自激活和GLI对L/V的抑制调控，优化后模型在14天时产生了正确的D-L-V模式：无SHH时D主导，有SHH时V和L在低/高WNT下分别主导，且模式在撤除SHH后维持。敏感性分析表明自激活和GLI抑制对维持模式至关重要。
**3D simulations with expanded rostral-caudal and dorsal-ventral models generate realistic in vivo-like patterns**
将扩展的R-C和D-V模型嵌入3D神经管体素几何，模拟14天。R-C模拟显示OTX2-GBX2边界位于管弯曲处，IsO表达于边界周围，WNT1和FGF8分别偏向吻侧和尾侧，与实验一致。D-V模拟独立进行时产生横截面上的D-L-V模式，且沿R-C轴区域大小变化。将IsO来源的WNT耦合到D-V模型后，仅在管弯曲处背侧区域略有扩张，表明IsO对D-V模式影响有限。
**讨论部分总结**：研究人员指出，模型成功捕捉了形态发生素诱导的不可逆模式，其核心在于GRN拓扑（如三稳态开关和自激活）维持了撤除信号后的模式。扩展的R-C模型整合了OTX2-GBX2开关和IsO反馈，准确预测了IsO的定位和维持；D-V模型通过自激活和GLI抑制实现了稳定模式。3D模拟揭示了IsO内WNT1/FGF8的不对称表达，并验证了模型对耦合机制的假设。然而，模型是实验数据的简化表示，未考虑细胞分裂、组织生长等复杂性，且重建的空间区域仅捕捉宽泛位置域，而非全部异质性。未来可通过更先进的体外实验数据进一步优化。
**研究结论部分翻译**：总体而言，研究人员的GRN模型代表了相较于先前工作的显著进步。这些模型针对单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据进行了优化，为瞬时形态发生素信号诱导的不可逆模式维持提供了机制性解释。重要的是，吻侧-尾侧模型捕捉了次级形态发生素来源——峡部组织者（IsO）的出现，凸显了模型阐明实验难以触及的复杂生物现象的能力。研究人员的3D模拟框架进一步证明在探究不同轴间模式化相互作用及形态发生素动力学影响方面的价值。尽管研究人员承认神经管模式化涉及细胞分裂、组织生长和非转录调控等额外复杂性，但转录模型成功捕捉了这些过程的许多关键特征。未来，研究人员的系统生物学方法可通过来自先进体外模式化实验的互补数据进行进一步优化，为神经管模式化机制提供更深入见解。
