Mappe trascrittomiche spaziotemporali di embrioni di topo interi all'inizio dell'organogenesi

Nature Genetics volume 55, pagine 1176–1185 (2023)Citare questo articolo

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L'orchestrazione spaziotemporale dell'espressione genica è necessaria per il corretto sviluppo embrionale. L'uso di tecnologie a cellula singola ha iniziato a fornire una migliore risoluzione delle prime dinamiche regolatorie, comprese definizioni molecolari dettagliate della maggior parte degli stati cellulari durante l'embriogenesi del topo. Qui abbiamo utilizzato Slide-seq per costruire mappe trascrittomiche spaziali del giorno embrionale completo (E) 8.5 ed E9.0 e degli embrioni E9.5 parziali. Per supportare la loro utilità, abbiamo sviluppato sc3D, uno strumento per ricostruire ed esplorare "embrioni virtuali" tridimensionali, che consente l'indagine quantitativa di modelli di espressione genica regionalizzati. Le nostre misurazioni lungo i principali assi embrionali del tubo neurale in via di sviluppo hanno rivelato diversi geni precedentemente non annotati con modelli spaziali distinti. Abbiamo anche caratterizzato l'identità trascrizionale conflittuale dei tubi neurali "ectopici" che emergono negli embrioni mutanti Tbx6. Nel loro insieme, presentiamo un quadro sperimentale e computazionale per l'indagine spaziotemporale di intere strutture embrionali e fenotipi mutanti.

Lo sviluppo embrionale richiede la tempistica e la localizzazione precise di numerosi processi molecolari, cellulari e tissutali1,2,3,4,5. Questi eventi sono diretti attraverso il controllo spaziotemporale dell'espressione genica che orchestra la specificazione, la migrazione e la localizzazione del tipo cellulare6,7,8,9. Qualsiasi interruzione di questa regolazione spesso provoca letalità embrionale o difetti di sviluppo5,10,11. Alla fine della gastrulazione e all'inizio dell'organogenesi (giorni embrionali (E) 8,5–9,5), i tessuti subiscono importanti cambiamenti morfologici, come l'ansa cardiaca, la compartimentazione del cervello e il ripiegamento del tubo neurale, per garantire una struttura e una funzione adeguate12,13,14. Attraverso la neurulazione, le cellule epiteliali nella placca neurale si piegano per formare un tubo morfologicamente definito, che mostra una firma di espressione genica stratificata lungo il suo asse dorsoventrale (DV), necessaria per la successiva diversificazione del sottotipo neuronale15,16,17,18,19,20 ,21. Sono stati identificati molti geni coinvolti in questo processo, ma le precise reti di regolazione genetica che governano questi modelli restano oggetto di studio. Recenti studi su singole cellule hanno iniziato a fornire una comprensione più profonda della topografia della specificazione del destino e hanno evidenziato alcuni meccanismi molecolari alla base di queste transizioni di stato cellulare22,23,24,25,26,27,28. Una limitazione degli approcci basati sulla dissociazione è la loro incapacità di preservare la struttura del tessuto, che preclude l'analisi dell'espressione nel contesto nativo. I recenti progressi nelle tecnologie di trascrittomica spaziale hanno iniziato a colmare questa lacuna, con l'obiettivo di esplorare l'organizzazione dei tipi cellulari all'interno dei tessuti adulti e lo sviluppo degli embrioni29,30,31,32,33,34,35,36,37,38.

In questo studio, abbiamo utilizzato Slide-seq, una tecnologia che genera dati di espressione genica a livello del trascrittoma con una risoluzione spaziale di 10 µm33,39, per costruire mappe di interi embrioni durante l'organogenesi iniziale del topo. I nostri dati hanno consentito l'esplorazione di modelli di espressione genica spaziale, distribuzioni di stati cellulari, la ricostruzione di mappe trascrittomiche tridimensionali (3D) per l'analisi dell'espressione genica "virtuale" e la dissezione del fenotipo mutante. Abbiamo sfruttato specificamente i dati per identificare l'espressione genica regionalizzata e le traiettorie di differenziazione nello spazio, concentrandoci sulla formazione e sul patterning del tubo neurale. Nel complesso, forniamo un atlante spaziale completo e ad alta risoluzione insieme a un visualizzatore accessibile e pronto all'uso per esplorare i modelli di espressione genica nell'embrione di topo in via di sviluppo.

Per mappare spazialmente le identità cellulari durante l'organogenesi iniziale, abbiamo utilizzato Slide-seq su due embrioni rappresentativi E8.5, uno E9.0 e tre E9.5 parziali (Fig. 1a e Dati estesi Fig. 1a). Per i due embrioni E8.5, abbiamo ottenuto rispettivamente 15 e 17 sezioni sagittali (spessore 10 µm), con intervalli di circa 30 µm tra loro. Per l'embrione E9.0, sono state ottenute 26 sezioni sagittali con intervalli di 20 µm e per i tre embrioni E9.5, 13 fette dalla linea mediana (Fig. 1a e Tabella supplementare 1). In totale, abbiamo recuperato 533.116 sfere di alta qualità con un valore medio di 1.798 trascrizioni e 1.224 geni per sfera (dati estesi Fig. 1b-d). Per accertare gli stati delle celle assegnati a ciascuna perlina, abbiamo mappato computazionalmente le perline su un riferimento a cella singola precedentemente generato (Dati estesi Fig. 1e, f)26. Con queste informazioni, abbiamo estratto da ciascuna perlina sequenziata (1) le coordinate spaziali, (2) il profilo di espressione genica associato e (3) l'assegnazione dello stato cellulare. Nel complesso, abbiamo osservato un buon allineamento degli stati cellulari e una restrizione spaziale dei geni marcatori, come Ttn (cuore), T (abbozzo della coda), Meox1 (somiti) e Sox2 (tubo neurale, cervello), tra gli altri (Dati estesi Fig. 2a –e). Inoltre, abbiamo osservato un'elevata riproducibilità nel recupero di una composizione embrionale comparabile e di modelli di espressione genica tra i replicati (Dati estesi Fig. 2c-f).