中科院研究员成功建立小鼠早期胚胎空间转录组图谱

3月22日，国际知名学术期刊《细胞》子刊《发育细胞》在线发表了中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所景乃禾研究组与中科院-马普学会计算生物学伙伴研究所韩敬东研究组合作的最新研究成果“Spatial Transcriptome for the Molecular Annotation of Lineage Fates and Cell Identity in Mid-Gastrula Mouse Embryo”，并被选为该刊当期的亮点文章。该研究结合激光显微切割以及单细胞测序(Fluidigm BioMark HD基因分析系统)等先进技术，绘制了小鼠早期发育原肠运动中期精细的胚胎三维分子图谱，并揭示了小鼠细胞谱系蓝图建立过程中的空间转录组特征、转录因子和信号通路调控网络。

原肠运动是高等动物早期发育中一个极其重要且高度保守的生物学过程。多潜能的早期胚胎在原肠运动中发生了剧烈的细胞增殖和细胞迁移，分化为外、中、内三个主要的胚层，成为全部体细胞的前体。此过程确立了整个胚胎的发育蓝图，并且不同细胞在胚胎中的空间位置决定了其未来的分化潜能和发育方向。因此，对早期胚胎进行空间位置特异的转录组分析，可以解析早期胚胎发育命运决定的分子机制，对预防相关的早期发育疾病也有十分重要的意义。在景乃禾研究员指导下，彭广敦博士以及博士研究生陈军，建立了基于激光显微切割和单细胞转录组测序的空间转录组分析方法，完成了小鼠原肠运动中期（E7.0）单个胚胎组织切片位置特异的转录组测序。在韩敬东研究员的指导下，博士生索生宝对这些高通量数据进行了生物学信息学分析。该项工作发现并鉴定了许多新的胚层特异标记基因，构建了整个原肠运动中期高质量的全胚胎基因表达三维分子图谱，使得小鼠这一时期两万多个基因的表达能够以电子原位杂交的形式得到完全的呈现。更重要的是，该项工作还鉴定了一组能够代表E7.0时期发育状态和特异空间结构域的标志基因，这些基因具有类似“邮政编码”（zip code）的标记功能，可以将外源的多能干细胞或者胚胎组织细胞“投递”到体内胚胎的特定位置，从而将未知来源的干细胞定位于体内胚胎的相应部位。这一研究结果，也为认识干细胞的全能性与分化潜能以及干细胞转化医学应用提供了全新的视角和理论指导。

在研究过程中，课题组研究人员通过使用fluidigm的Biomark HD基因分析系统完成了复杂的高通量定量PCR检测，对RNAseq的数据结果进行进一步的研究分析。研究人员首先对cDNA的特定靶序列进行扩增，然后分别将样本和引物等微升级反应体系，通过微流控技术加样到芯片样本上。准备好芯片后，将其转移到Biomark HD系统中进行40个循环的扩增，扩增后的PCR再通过Fluidigm的SINGuLAR工具进行整理和分析。利用这种方法，可在短时间内对几十个微量样本进行每个样本数十个基因位点的高通量检测。

该研究课题得到了中科院干细胞与再生医学先导科技专项、国家科技部和国家自然科学基金委的经费支持。该研究工作与国际著名发育生物学家、英国皇家科学院院士、澳大利亚悉尼大学Patrick Tam教授合作完成。

图例：对小鼠原肠运动中期胚胎三维分子图谱的绘制，使得早期胚胎发育不同胚层的分化（例如大脑、骨骼及肺分别代表的外胚层、中胚层、内胚层）有了空间定位，相当于提供了一套详细的参考坐标系。任何外源的干细胞通过对照此参考坐标系，即能确立其未来的发育潜能和分化命运。

下载全文: Spatial Transcriptome for the Molecular Annotation of Lineage Fates and Cell Identity in Mid-Gastrula Mouse Embryo.pdf

BioMark HD基因分析系统