Science：透视生命蓝图！新技术weMERFISH实现胚胎发育“全基因+全细胞”4D动态成像

一个微小的细胞团是如何发育成具有头、躯干和尾巴的胚胎的？数千个基因又是如何协调这一发育过程的？一种新的成像方法使得在整个斑马鱼胚胎中同时可视化数千个基因的活动成为可能。利用这项技术，瑞士巴塞尔大学的一个研究团队创建了一个图谱，描绘了将细胞团转变为胚胎所涉及的所有基因和细胞。这项工作发表在《科学》杂志上。

在受精卵发育成胚胎的过程中，基因和细胞之间的相互作用高度复杂。以前的方法只能在二维切片中捕捉基因活动，使得无法可视化整个胚胎，并且提供的空间细节有限，常常错过亚细胞模式。

这项新方法现在使巴塞尔大学生物中心的 Alex Schier 教授的研究团队能够可视化整个胚胎中数千个基因的活动，并将其与细胞成熟和运动联系起来。其结果是提供了一个早期发育的综合图谱，以及对基因和细胞如何塑造生长中胚胎的新见解。

基因和细胞的4D图谱

"一个核心问题是：数千个基因如何在胚胎中协同工作，以及它们的活动如何与细胞运动相关联？"第一作者 Yinan Wan 博士说。为了回答这个问题，团队开发了一种名为 weMERFISH 的新成像技术。它能够以亚细胞分辨率直接测量整个组织中近 500 个基因的活动。

通过这些测量，研究人员创建了一个早期胚胎发育的图谱。"通过将先前的单细胞数据与我们的基因活动测量相结合，我们能够计算出数千个基因以及大约 30 万个潜在调控区域的空间模式。"Wan 说。

这些数据通过网络平台 MERFISHEYES 免费开放。"该图谱旨在成为全球发育生物学家的资源。"

当时间在空间中变得可见

这些图像不仅提供静态快照，还能推断空间和时间过程。例如，在尾部形成期间，研究人员观察到沿体轴排列的细胞呈现发育阶段的顺序：在尾尖是未成熟的干细胞，而向前则可以发现越来越成熟的细胞，如肌细胞。

"从某种意义上说，你可以在空间中看到时间。"Wan 解释道。"同样令人惊讶的是，基因活动的变化与细胞在胚胎中移动的方式相吻合，将基因表达动力学与形态发生运动联系起来。"

无需细胞分选的清晰边界

借助图谱，研究人员还能够阐明不同组织之间（例如肌肉和椎骨组织之间）清晰边界是如何形成的。他们发现了一个细胞区域，其中许多基因的活动发生剧烈变化，并且两侧各不相同。

早期和晚期阶段的比较表明，这些基因最初在两侧都活跃，但后来只在一侧活跃。并且几乎没有任何细胞穿过这条边界。

"这些边界的产生不是因为细胞混合然后分选，而主要是因为细胞改变了它们的遗传程序。"Alex Schier 说。

未来研究的基础

有了 weMERFISH、MERFISHEYES 图谱以及活体成像的整合，研究人员现在拥有了一个新工具。它可以对整个胚胎的基因活动、基因调控和细胞运动进行联合分析。

未来，Schier 的团队计划研究更多的发育阶段，以进一步完善早期脊椎动物发育的图景。"从长远来看，我们想了解需要哪些基因活动和细胞行为的组合才能形成特定的器官或组织。"Schier 说。"有一天我们可能会发现，构建心脏或脊髓有多少种方式。"（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Yinan Wan et al, Whole-embryo spatial transcriptomics at subcellular resolution from gastrulation to organogenesis, Science (2026). DOI: 10.1126/science.adt3439.