动物发育是基因与细胞在时空维度上精密协作的复杂过程。以果蝇为例，其发育的过程，大体需要经过卵、幼虫、蛹和成虫4个阶段。如果说这个成长过程，是一场精密编排的“生命舞台剧”，那么每个细胞何时何地“登场”、如何变成特定的细胞类型，便都是由基因“剧本”调控的。但一直以来，科学家很难完全读懂发育时空动态背后的调控机制。
6月26日，杭州华大生命科学研究院联合南方科技大学，在国际顶级学术期刊《细胞》（Cell）发表突破性成果。研究团队通过华大时空组学技术Stereo-seq及多种单细胞组学测序技术，开创性地创建了一个解码动物发育过程的多模态数据集，生成了果蝇全发育周期的3D单细胞时空多组学图谱。该研究成果系统解析了果蝇细胞类型分化的时空动态与核心调控网络，为发育生物学研究提供了前所未有的分子层面参考，并为发育缺陷及相关疾病机制研究奠定了重要基础。
构建发育全周期3D多组学图谱
研究团队基于华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，搭配单细胞组学技术scRNA-seq和scATAC-seq，对果蝇胚胎每0.5-2小时、幼虫及蛹期的各个关键阶段进行采样，生成超过380万个具有空间分辨率的单细胞转录组，并利用Spateo算法重建出高精度3D模型，精准解析组织形态与基因表达的空间动态。就像用一台超级“生命照相机”，给果蝇的整个发育过程拍摄了一部分辨率极高的3D电影，能够清楚地看到每个细胞在何时何地开启了哪些基因。
在这场果蝇发育的“生命舞台剧”中，细胞如何决定自己变成神经细胞还是肌肉细胞？研究团队通过整合数据，构建了果蝇胚胎发育的“分化轨迹地图”，解析了细胞命运决定的关键分子机制。
通过追踪“演员”的走位，研究发现不同胚层的细胞会沿着特定路径分化，而转录因子就像“导演”，通过激活或抑制基因，指挥细胞扮演特定角色。比如，研究发现多个此前未被鉴定的转录因子，在神经、肠道及内分泌系统中可能起关键作用。这就像在剧本里发现了隐藏的重要情节，拓展了我们对发育调控的认知。
文章共同第一作者、华大生命科学研究院王明月博士表示：“果蝇是生物学研究中最重要的模式生物之一，其在遗传学、发育生物学、神经生物学以及分子生物学等领域中都有着不可替代的位置。此外，果蝇与人类共享约70%的疾病相关基因，理解其发育过程及基因调控机制，能够帮助我们更好地探究生命发育等重要科学问题，并为人类发育疾病领域相关研究提供参考。”
揭示组织分化的空间模式
在这份3D多组学图谱的基础上，研究团队通过整合分析，首次在单细胞水平揭示了果蝇组织分化起源的空间模式。以脂肪体和前/后肠为模型，研究发现：
脂肪体（哺乳动物肝脏同源器官）：分化呈分散式模式，其细胞类型在空间上混合分布，未形成集中的干细胞簇，这与早期胚胎发育中分散的前体细胞分布一致；
前/后肠（分别与哺乳动物食管与胃/大肠同源）：分化呈中心化特征，细胞类型按发育阶段聚集在特定的空间区域。这一发现为理解胚胎肠道如何成形提供了新证据。
果蝇脂肪体与前后肠发育模式的比较
此外，针对果蝇的中枢神经系统动态，研究团队利用3D多组学图谱追踪其形态变化与基因表达关联，发现：
形态重塑关键节点：神经索后端与脑部前端在不同发育阶段主导形态变化，早期依赖细胞命运决定，后期依靠信号通路激活功能；
新调控因子鉴定：跨膜蛋白CG42394和lncRNA:CR30009等未表征基因，与神经母细胞迁移相关，其中后者被验证为神经干细胞特异性表达。
这一研究系统解析了组织分化模式与器官形态重塑机制，为发育生物学研究提供了创新方法与关键靶点。
动态解析中肠功能分区的演变
研究团队通过Stereo-seq技术揭示了果蝇中肠细胞类型的动态变化及其空间布局规律。
1 幼虫期：中肠体积显著增大，细胞类型更加多样化，其内分泌细胞分化为多个亚簇，分布在前后轴的特定位置，与成虫中肠的功能分区高度相似；
到了幼虫L3阶段，前胃盲囊和特定肠细胞数量骤减并最终消失，伴随自噬相关基因在干细胞和内分泌细胞中显著上调，印证了变态前细胞程序性死亡的关键调控机制。
2 蛹期：中肠分化为内外两层结构——内层富集金属离子代谢相关基因，外层表达抗菌基因，暗示其在变态发育过程中承担不同功能。
3 胚胎期：中肠的功能分区早在胚胎期便已启动，各区域沿前后轴逐步形成，其基因表达模式与成虫阶段高度一致。
值得注意的是，幼虫期的中肠干细胞已“预习”了未来的分工，呈现出区域特异性基因表达差异，为成年后不同区域的细胞再生提供了发育基础。
发现调控中肠发育关键转录因子
果蝇中肠的铜细胞就像体内的“金属管家”，是维持金属离子平衡和胃酸分泌的关键细胞，其功能异常可能导致代谢紊乱。研究团队通过多组学分析，首次发现在铜细胞发育中发挥核心调控作用的转录因子exex。
时空特异性调控：在铜细胞分化早期阶段，exex高表达并驱动下游基因活性，即使在铜细胞成熟后，其仍持续调控关键靶基因；
功能验证：如果敲降exex，铜细胞便会“罢工”——数量锐减、形态异常，且无法积累铜离子。这证实了exex对铜细胞分化与功能维持的必要性；
调控网络解析：exex通过上调另一个转录因子kay的表达，间接激活铜细胞的主控因子lab，同时与lab协同启动子区域，增强其调控效率。
这一发现揭示了果蝇中肠金属稳态调控的新机制，为人类肠道等器官发育的过程提供参考。
2022年，华大等研究团队借助Stereo-seq技术实现首批生命全景地图的绘制，系列成果以时空组学联盟（STOC）专题的形式在《细胞》发表。其中，果蝇发育图谱发表于《发育细胞》（Developmental Cell）。
文章共同通讯作者、华大生命科学研究院刘龙奇研究员表示：“本次研究在此前果蝇图谱成果的基础上，实现了单细胞分辨率、补充了单细胞转录组等组学数据，由此构建了首个果蝇全发育周期的3D多组学图谱，为理解动物发育机制提供了分子层面的全新见解。此外，研究团队通过多组学技术的交叉融合，以更简单高效的方法系统地描述果蝇这一经典模式生物的发育过程，为包括人类在内的其他生物的发育研究提供了参考范式。”
南方科技大学胡宇慧教授、胡琪楠教授（兼共同第一作者），华大生命科学研究院徐讯研究员、刘龙奇研究员为本文的共同通讯作者。华大生命科学研究院王明月博士、涂桢铖博士、南方科技大学孔令时博士为本文的共同第一作者。