南方科技大学副教授发表《Cell》

近日，南方科技大学副教授胡宇慧科研团队与华大生命科学研究院合作构建果蝇三维时空单细胞多组学发育图谱，相关研究成果以“A Drosophila single-cell 3D spatiotemporal multi-omics atlas unveils panoramic key regulators of cell type differentiation”为题在Cell期刊上发表。

多细胞生物的发育过程复杂且精巧，受众多基因和信号通路在时空维度上的严格调控。果蝇作为一种经典模式生物，其发育特征在哺乳动物中表现出显著的保守性，其胚胎发生和器官形成的研究为揭示发育机制提供了关键线索。近年来，单细胞多组学技术的发展为研究生物体发育过程和细胞异质性提供了全新手段。然而，特别是涉及时空动态信息的技术，在果蝇中的应用仍存在研究空白。

图1. 果蝇发育的单细胞三维时空多组学图谱

研究团队利用包含高分辨率空间转录组学技术Stereo-seq在内的多组学测序技术构建了果蝇从胚胎到蛹阶段的单细胞三维时空多组学发育图谱Flysta3D-v2（图1），涵盖了单细胞空间转录组、单细胞转录组和单细胞染色质可及性信息等多维度数据。通过对多模态数据的整合，研究人员构建了覆盖生物整体范围内的连续三维重建模型，揭示了细胞类型分化的详细轨迹（图2）。研究以果蝇中肠（与哺乳动物小肠同源）为重点，通过对调控中肠细胞类型的关键转录因子进行鉴定及突变分析，验证了exex 基因作为铜细胞发育关键调控因子的作用。

图2. 多组学图谱数据集的构建与全生物体范围的三维数字重构

研究收集了果蝇胚胎、幼虫和蛹等发育各阶段的样本，通过Stereo-seq平台生成了43个胚胎、9个幼虫和5个蛹样本的3D单细胞空间转录组数据，获取了共计超过380万个单细胞空间转录组信息和各约24万个胚胎单细胞转录组和染色质可及性信息。基于细胞空间位置和细胞注释信息，研究人员重建了果蝇不同组织的3D空间转录组图谱，为研究果蝇发育过程中的细胞分化和组织形成提供了高分辨率分子地图。在此基础上，研究人员构建了果蝇发育过程中信号通路和转录因子调控的详细互作网络，揭示了胚胎组织器官在发育过程中分化迁移的空间模式。

图3. 肠道细胞分化与功能性区域的形成

研究人员以果蝇的胚胎中肠为模型，不仅鉴定了多种功能特异的细胞类型与亚类，详细刻画了其分化轨迹与空间分布动态，还对其在幼虫和蛹阶段的动态变化进行了深入分析。通过子聚类分析，研究人员在幼虫和蛹的Stereo-seq样本中识别出中肠细胞类型，并发现与胚胎相比，幼虫中肠在大小和细胞类型多样性方面都有显著增加。从胚胎到幼虫，中肠的细胞类型与调控关系与成虫都存在相似性，揭示了成虫功能性细胞早期形成过程的调控关系（图3）。

通过多模态数据分析，研究人员鉴定了多个在果蝇中肠发育过程中起关键作用的转录因子，exex基因被确定为负责肠道金属离子稳态与胃酸分泌的铜细胞发育的关键调控因子。研究发现exex基因在铜细胞谱系的早期阶段高表达，并且其结合基序在铜细胞发育过程中持续活跃。通过系列实验，研究人员验证了exex基因对铜细胞命运决定和铜离子稳态的调控作用。

这项研究生成的果蝇单细胞时空多组学图谱Flysta3D-v2为果蝇发育研究领域提供了极为丰富的数据资源。通过整合单细胞空间转录组、单细胞转录组和单细胞染色质可及性信息，研究人员能够以前所未有的精度解析果蝇发育过程中的细胞分化、组织形成和基因调控网络，并为后续的多模态综合分析提供理论与方法基础。

此项发现不仅有助于深入了解果蝇组织发育的精细调控过程，也为研究其他组织和器官的细胞分化机制提供了重要的参考和借鉴。该研究对于深入阐释发育过程中的分子机制以及相关疾病的病理生理过程具有重要意义，为探索新的疾病治疗靶点和策略提供了潜在的方向。

华大生命科学研究院王明月博士，南方科技大学医学院药理学系研究助理教授胡琪楠，华大生命科学研究院涂桢铖博士，南方科技大学医学院博士后孔令时为共同第一作者。胡宇慧、胡琪楠，华大生命科学研究院研究员徐讯、研究员刘龙奇为本文共同通讯作者。南方科技大学为论文通讯作者单位。

本研究得到了深圳市基因调控与系统生物学重点实验室、深圳市医学研究专项资金、国家自然科学基金委、广东省基础与应用基础基金委、国家重点研发计划、深圳市科创委及广东基因组学数据中心的支持。南方科技大学超算中心与公共分析测试中心为本研究提供了计算与实验支持。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.05.047