Cartes transcriptomiques spatio-temporelles d'embryons entiers de souris au début de l'organogenèse

Nature Genetics volume 55, pages 1176-1185 (2023)Citer cet article

11 000 accès

87 Altmétrique

Détails des métriques

L’orchestration spatio-temporelle de l’expression des gènes est nécessaire au bon développement embryonnaire. L'utilisation de technologies unicellulaires a commencé à améliorer la résolution des premières dynamiques de régulation, notamment des définitions moléculaires détaillées de la plupart des états cellulaires au cours de l'embryogenèse de la souris. Ici, nous avons utilisé Slide-seq pour créer des cartes transcriptomiques spatiales des jours embryonnaires complets (E) 8,5 et E9.0 et des embryons partiels E9.5. Pour soutenir leur utilité, nous avons développé sc3D, un outil de reconstruction et d'exploration d'« embryons virtuels » tridimensionnels, qui permet l'investigation quantitative des modèles d'expression génique régionalisés. Nos mesures le long des principaux axes embryonnaires du tube neural en développement ont révélé plusieurs gènes jusque-là non annotés présentant des schémas spatiaux distincts. Nous avons également caractérisé l'identité transcriptionnelle contradictoire des tubes neuraux « ectopiques » qui émergent dans les embryons mutants Tbx6. Pris ensemble, nous présentons un cadre expérimental et informatique pour l’étude spatio-temporelle de structures embryonnaires entières et de phénotypes mutants.

Le développement embryonnaire nécessite le timing et la localisation précis de nombreux processus moléculaires, cellulaires et tissulaires1,2,3,4,5. Ces événements sont dirigés via le contrôle spatio-temporel de l’expression des gènes qui orchestre la spécification, la migration et la localisation du type cellulaire6,7,8,9. Toute perturbation de cette régulation entraîne souvent une létalité embryonnaire ou des défauts de développement5,10,11. À la fin de la gastrulation et au début de l'organogenèse (jours embryonnaires (E) 8,5 à 9,5), les tissus subissent des changements morphologiques majeurs, tels qu'une boucle cardiaque, une compartimentation cérébrale et un repliement du tube neural, pour garantir une structure et un fonctionnement appropriés12,13,14. Grâce à la neurulation, les cellules épithéliales de la plaque neurale se replient pour former un tube morphologiquement défini, qui présente une signature d'expression génique stratifiée le long de son axe dorsoventral (DV), nécessaire à la diversification ultérieure des sous-types neuronaux. ,21. De nombreux gènes impliqués dans ce processus ont été identifiés, mais les réseaux précis de régulation génétique régissant ces modèles restent à l'étude. Des études récentes sur des cellules uniques ont commencé à fournir une compréhension plus approfondie de la topographie de la spécification du destin et ont mis en évidence certains mécanismes moléculaires sous-jacents à ces transitions d'état cellulaire22,23,24,25,26,27,28. L’une des limites des approches basées sur la dissociation est leur incapacité à préserver la structure tissulaire, ce qui exclut l’analyse de l’expression dans le contexte natif. Les progrès récents dans les technologies de transcriptomique spatiale ont commencé à combler cette lacune, visant à explorer l'organisation des types de cellules dans les tissus adultes et les embryons en développement29,30,31,32,33,34,35,36,37,38.

Dans cette étude, nous avons utilisé Slide-seq, une technologie qui génère des données d'expression génique à l'échelle du transcriptome avec une résolution spatiale de 10 µm33,39, pour créer des cartes d'embryons entiers au début de l'organogenèse de la souris. Nos données ont permis l'exploration des modèles spatiaux d'expression génique, des distributions de l'état cellulaire, la reconstruction de cartes transcriptomiques tridimensionnelles (3D) pour l'analyse « virtuelle » de l'expression génique et la dissection du phénotype mutant. Nous avons spécifiquement exploité les données pour identifier les trajectoires régionalisées d’expression et de différenciation des gènes dans l’espace, en nous concentrant sur la formation et la structuration du tube neural. Dans l’ensemble, nous fournissons un atlas spatial complet à haute résolution ainsi qu’un visualiseur accessible et prêt à l’emploi pour explorer les modèles d’expression génique dans l’embryon de souris en développement.

Pour cartographier spatialement les identités cellulaires au début de l'organogenèse, nous avons utilisé Slide-seq sur deux embryons représentatifs E8.5, un E9.0 et trois embryons partiels E9.5 (Fig. 1a et Extended Data Fig. 1a). Pour les deux embryons E8.5, nous avons obtenu respectivement 15 et 17 coupes sagittales (épaisseur 10 µm), espacées d’environ 30 µm. Pour l'embryon E9.0, 26 coupes sagittales espacées de 20 µm et pour les trois embryons E9.5, 13 tranches de la ligne médiane ont été obtenues (Fig. 1a et Tableau supplémentaire 1). Au total, nous avons récupéré 533 116 billes de haute qualité avec une valeur médiane de 1 798 transcriptions et 1 224 gènes par bille (Extended Data Fig. 1b – d). Pour vérifier les états cellulaires attribués à chaque perle, nous avons cartographié les perles par ordinateur sur une référence monocellulaire générée précédemment (Extended Data Fig. 1e, f) 26. Avec ces informations, nous avons extrait de chaque perle séquencée (1) les coordonnées spatiales, (2) le profil d'expression génique associé et (3) l'attribution de l'état cellulaire. Dans l'ensemble, nous avons observé un bon alignement des états cellulaires et une restriction spatiale des gènes marqueurs, tels que Ttn (cœur), T (bourgeon de queue), Meox1 (somites) et Sox2 (tube neural, cerveau), entre autres (Extended Data Fig. 2a). –e). De plus, nous avons observé une reproductibilité élevée lors de la récupération d'une composition embryonnaire et de modèles d'expression génique comparables entre les répétitions (Extended Data Fig. 2c – f).