Mapas transcriptômicos espaçotemporais de embriões inteiros de camundongos no início da organogênese

Nature Genetics volume 55, páginas 1176–1185 (2023)Cite este artigo

11 mil acessos

87 Altmétrico

Detalhes das métricas

A orquestração espaço-temporal da expressão genética é necessária para o desenvolvimento embrionário adequado. O uso de tecnologias unicelulares começou a fornecer uma resolução melhorada da dinâmica regulatória inicial, incluindo definições moleculares detalhadas da maioria dos estados celulares durante a embriogênese do camundongo. Aqui usamos Slide-seq para construir mapas transcriptômicos espaciais de embriões de dia embrionário completo (E) 8.5 e E9.0 e E9.5 parciais. Para apoiar a sua utilidade, desenvolvemos o sc3D, uma ferramenta para reconstruir e explorar 'embriões virtuais' tridimensionais, que permite a investigação quantitativa de padrões regionalizados de expressão genética. Nossas medições ao longo dos principais eixos embrionários do tubo neural em desenvolvimento revelaram vários genes anteriormente não anotados com padrões espaciais distintos. Também caracterizamos a identidade transcricional conflitante de tubos neurais 'ectópicos' que emergem em embriões mutantes Tbx6. Em conjunto, apresentamos uma estrutura experimental e computacional para a investigação espaço-temporal de estruturas embrionárias inteiras e fenótipos mutantes.

O desenvolvimento embrionário necessita do tempo e localização precisos de numerosos processos moleculares, celulares e teciduais1,2,3,4,5. Esses eventos são direcionados através do controle espaço-temporal da expressão gênica que orquestra a especificação, migração e localização do tipo celular . Qualquer perturbação desta regulação resulta frequentemente em letalidade embrionária ou defeitos de desenvolvimento5,10,11. No final da gastrulação e início da organogênese (dias embrionários (E) 8,5–9,5), os tecidos sofrem grandes alterações morfológicas, como loop cardíaco, compartimentação cerebral e dobramento do tubo neural, para garantir estrutura e função adequadas . Através da neurulação, as células epiteliais na placa neural dobram-se para formar um tubo morfologicamente definido, que exibe uma assinatura de expressão gênica estratificada ao longo de seu eixo dorsoventral (DV), que é necessária para a subsequente diversificação do subtipo neuronal15,16,17,18,19,20 ,21. Muitos genes envolvidos neste processo foram identificados, mas as redes reguladoras genéticas precisas que governam estes padrões permanecem sob investigação. Estudos unicelulares recentes começaram a fornecer uma compreensão mais profunda da especificação da topografia do destino e destacaram alguns mecanismos moleculares subjacentes a essas transições de estado celular . Uma limitação das abordagens baseadas na dissociação é a sua incapacidade de preservar a estrutura do tecido, o que impede a análise de expressão no contexto nativo. Avanços recentes nas tecnologias transcriptômicas espaciais começaram a preencher essa lacuna, visando explorar a organização dos tipos celulares nos tecidos adultos e em embriões em desenvolvimento .

Neste estudo, utilizamos Slide-seq, uma tecnologia que gera dados de expressão gênica em todo o transcriptoma com resolução espacial de 10 µm, para construir mapas de embriões inteiros durante a organogênese inicial do camundongo. Nossos dados permitiram a exploração de padrões espaciais de expressão gênica, distribuições de estado celular, a reconstrução de mapas transcriptômicos tridimensionais (3D) para análise de expressão gênica 'virtual' e dissecção de fenótipo mutante. Aproveitamos especificamente os dados para identificar trajetórias regionalizadas de expressão e diferenciação gênica no espaço, com foco na formação e padronização do tubo neural. No geral, fornecemos um atlas espacial abrangente e de alta resolução, juntamente com um visualizador acessível e pronto para uso para explorar padrões de expressão gênica no embrião de camundongo em desenvolvimento.

Para mapear espacialmente as identidades celulares durante a organogênese inicial, usamos Slide-seq em dois embriões E8.5 representativos, um E9.0 e três E9.5 parciais (Fig. 1a e Dados Estendidos Fig. 1a). Para os dois embriões E8.5, obtivemos 15 e 17 cortes sagitais (espessura de 10 µm), respectivamente, com intervalos de aproximadamente 30 µm entre eles. Para o embrião E9.0, foram obtidas 26 seções sagitais com intervalos de 20 µm, e para os três embriões E9.5, foram obtidas 13 fatias da linha média (Fig. 1a e Tabela Suplementar 1). No total, recuperamos 533.116 esferas de alta qualidade com um valor médio de 1.798 transcritos e 1.224 genes por esfera (Extended Data Fig. 1b-d). Para verificar os estados das células atribuídos a cada conta, mapeamos computacionalmente as contas para uma referência de célula única gerada anteriormente (Extended Data Fig. 1e, f) . Com essas informações, extraímos de cada esfera sequenciada (1) coordenadas espaciais, (2) perfil de expressão gênica associada e (3) atribuição de estado celular. No geral, observamos bom alinhamento dos estados celulares e restrição espacial de genes marcadores, como Ttn (coração), T (botão da cauda), Meox1 (somitos) e Sox2 (tubo neural, cérebro), entre outros (Extended Data Fig. 2a –e). Além disso, observamos alta reprodutibilidade na recuperação de uma composição embrionária comparável e padrões de expressão gênica entre réplicas (Extended Data Fig. 2c-f).