動物發(fā)育是基因與細胞在時空維度上精密協(xié)作的復雜過程。以果蠅為例，其發(fā)育的過程，大體需要經(jīng)過卵、幼蟲、蛹和成蟲4個階段。如果說這個成長過程，是一場精密編排的“生命舞臺劇”，那么每個細胞何時何地“登場”、如何變成特定的細胞類型，便都是由基因“劇本”調(diào)控的。但一直以來，科學家很難完全讀懂發(fā)育時空動態(tài)背后的調(diào)控機制。

6月26日，杭州華大生命科學研究院聯(lián)合南方科技大學，在國際頂級學術(shù)期刊《細胞》（Cell）發(fā)表突破性成果。研究團隊通過華大時空組學技術(shù)Stereo-seq及多種單細胞組學測序技術(shù)，開創(chuàng)性地創(chuàng)建了一個解碼動物發(fā)育過程的多模態(tài)數(shù)據(jù)集，生成了果蠅全發(fā)育周期的3D單細胞時空多組學圖譜。該研究成果系統(tǒng)解析了果蠅細胞類型分化的時空動態(tài)與核心調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為發(fā)育生物學研究提供了前所未有的分子層面參考，并為發(fā)育缺陷及相關(guān)疾病機制研究奠定了重要基礎(chǔ)。

??Cell 官網(wǎng)截圖

構(gòu)建發(fā)育全周期3D多組學圖譜

研究團隊基于華大自主研發(fā)的時空組學技術(shù)Stereo-seq，搭配單細胞組學技術(shù)scRNA-seq和scATAC-seq，對果蠅胚胎每0.5-2小時、幼蟲及蛹期的各個關(guān)鍵階段進行采樣，生成超過380萬個具有空間分辨率的單細胞轉(zhuǎn)錄組，并利用Spateo算法重建出高精度3D模型，精準解析組織形態(tài)與基因表達的空間動態(tài)。就像用一臺超級“生命照相機”，給果蠅的整個發(fā)育過程拍攝了一部分辨率極高的3D電影，能夠清楚地看到每個細胞在何時何地開啟了哪些基因。

??果蠅發(fā)育的全景分子時鐘

在這場果蠅發(fā)育的“生命舞臺劇”中，細胞如何決定自己變成神經(jīng)細胞還是肌肉細胞？研究團隊通過整合數(shù)據(jù)，構(gòu)建了果蠅胚胎發(fā)育的“分化軌跡地圖”，解析了細胞命運決定的關(guān)鍵分子機制。

通過追蹤“演員”的走位，研究發(fā)現(xiàn)不同胚層的細胞會沿著特定路徑分化，而轉(zhuǎn)錄因子就像“導演”，通過激活或抑制基因，指揮細胞扮演特定角色。比如，研究發(fā)現(xiàn)多個此前未被鑒定的轉(zhuǎn)錄因子，在神經(jīng)、腸道及內(nèi)分泌系統(tǒng)中可能起關(guān)鍵作用。這就像在劇本里發(fā)現(xiàn)了隱藏的重要情節(jié)，拓展了我們對發(fā)育調(diào)控的認知。

文章共同第一作者、華大生命科學研究院王明月博士表示：“果蠅是生物學研究中最重要的模式生物之一，其在遺傳學、發(fā)育生物學、神經(jīng)生物學以及分子生物學等領(lǐng)域中都有著不可替代的位置。此外，果蠅與人類共享約70%的疾病相關(guān)基因，理解其發(fā)育過程及基因調(diào)控機制，能夠幫助我們更好地探究生命發(fā)育等重要科學問題，并為人類發(fā)育疾病領(lǐng)域相關(guān)研究提供參考?！?/p>

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揭示組織分化的空間模式

在這份3D多組學圖譜的基礎(chǔ)上，研究團隊通過整合分析，首次在單細胞水平揭示了果蠅組織分化起源的空間模式。以脂肪體和前/后腸為模型，研究發(fā)現(xiàn)：

脂肪體（哺乳動物肝臟同源器官）：分化呈分散式模式，其細胞類型在空間上混合分布，未形成集中的干細胞簇，這與早期胚胎發(fā)育中分散的前體細胞分布一致；

前/后腸（分別與哺乳動物食管與胃/大腸同源）：分化呈中心化特征，細胞類型按發(fā)育階段聚集在特定的空間區(qū)域。這一發(fā)現(xiàn)為理解胚胎腸道如何成形提供了新證據(jù)。

??果蠅脂肪體與前后腸發(fā)育模式的比較

此外，針對果蠅的中樞神經(jīng)系統(tǒng)動態(tài)，研究團隊利用3D多組學圖譜追蹤其形態(tài)變化與基因表達關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)：

形態(tài)重塑關(guān)鍵節(jié)點：神經(jīng)索后端與腦部前端在不同發(fā)育階段主導形態(tài)變化，早期依賴細胞命運決定，后期依靠信號通路激活功能；

新調(diào)控因子鑒定：跨膜蛋白CG42394和lncRNA:CR30009等未表征基因，與神經(jīng)母細胞遷移相關(guān)，其中后者被驗證為神經(jīng)干細胞特異性表達。

這一研究系統(tǒng)解析了組織分化模式與器官形態(tài)重塑機制，為發(fā)育生物學研究提供了創(chuàng)新方法與關(guān)鍵靶點。

??中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的細胞遷移軌跡

動態(tài)解析中腸功能分區(qū)的演變

研究團隊通過Stereo-seq技術(shù)揭示了果蠅中腸細胞類型的動態(tài)變化及其空間布局規(guī)律。

幼蟲期：中腸體積顯著增大，細胞類型更加多樣化，其內(nèi)分泌細胞分化為多個亞簇，分布在前后軸的特定位置，與成蟲中腸的功能分區(qū)高度相似；到了幼蟲L3階段，前胃盲囊和特定腸細胞數(shù)量驟減并最終消失，伴隨自噬相關(guān)基因在干細胞和內(nèi)分泌細胞中顯著上調(diào)，印證了變態(tài)前細胞程序性死亡的關(guān)鍵調(diào)控機制。

蛹期：中腸分化為內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)——內(nèi)層富集金屬離子代謝相關(guān)基因，外層表達抗菌基因，暗示其在變態(tài)發(fā)育過程中承擔不同功能。

胚胎期：中腸的功能分區(qū)早在胚胎期便已啟動，各區(qū)域沿前后軸逐步形成，其基因表達模式與成蟲階段高度一致。

值得注意的是，幼蟲期的中腸干細胞已“預(yù)習”了未來的分工，呈現(xiàn)出區(qū)域特異性基因表達差異，為成年后不同區(qū)域的細胞再生提供了發(fā)育基礎(chǔ)。

??腸道發(fā)育的功能區(qū)域變化

發(fā)現(xiàn)調(diào)控中腸發(fā)育關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子

果蠅中腸的銅細胞就像體內(nèi)的“金屬管家”，是維持金屬離子平衡和胃酸分泌的關(guān)鍵細胞，其功能異?？赡軐е麓x紊亂。研究團隊通過多組學分析，首次發(fā)現(xiàn)在銅細胞發(fā)育中發(fā)揮核心調(diào)控作用的轉(zhuǎn)錄因子exex。

時空特異性調(diào)控：在銅細胞分化早期階段，exex高表達并驅(qū)動下游基因活性，即使在銅細胞成熟后，其仍持續(xù)調(diào)控關(guān)鍵靶基因；

功能驗證：如果敲降exex，銅細胞便會“罷工”——數(shù)量銳減、形態(tài)異常，且無法積累銅離子。這證實了exex對銅細胞分化與功能維持的必要性；

調(diào)控網(wǎng)絡(luò)解析：exex通過上調(diào)另一個轉(zhuǎn)錄因子kay的表達，間接激活銅細胞的主控因子lab，同時與lab協(xié)同啟動子區(qū)域，增強其調(diào)控效率。

這一發(fā)現(xiàn)揭示了果蠅中腸金屬穩(wěn)態(tài)調(diào)控的新機制，為人類腸道等器官發(fā)育的過程提供參考。

2022年，華大等研究團隊借助Stereo-seq技術(shù)實現(xiàn)首批生命全景地圖的繪制，系列成果以時空組學聯(lián)盟（STOC）專題的形式在《細胞》發(fā)表。其中，果蠅發(fā)育圖譜發(fā)表于《發(fā)育細胞》（Developmental Cell）。

文章共同通訊作者、華大生命科學研究院劉龍奇研究員表示：“本次研究在此前果蠅圖譜成果的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了單細胞分辨率、補充了單細胞轉(zhuǎn)錄組等組學數(shù)據(jù)，由此構(gòu)建了首個果蠅全發(fā)育周期的3D多組學圖譜，為理解動物發(fā)育機制提供了分子層面的全新見解。此外，

研究團隊通過多組學技術(shù)的交叉融合，以更簡單高效的方法系統(tǒng)地描述果蠅這一經(jīng)典模式生物的發(fā)育過程，為包括人類在內(nèi)的其他生物的發(fā)育研究提供了參考范式。”

南方科技大學胡宇慧教授、胡琪楠教授（兼共同第一作者），華大生命科學研究院徐訊研究員、劉龍奇研究員為本文的共同通訊作者。華大生命科學研究院王明月博士、涂楨鋮博士、南方科技大學孔令時博士為本文的共同第一作者。

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文章來源鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00629-4