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心编排的“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”精准调控的。但一直以来，科学家们很难弄清发育背后的调控机制。

　　日前，华大生命科学研究院研究团队联合南方科技大学团队，通过自主研发的时空组学技术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，不仅为发育生物学研究提供了分子层面的参考，也为发育缺陷及相关疾病的研究奠定了基础。该项研究成果日前发表于国际学术期刊《细胞》。

　　构建全周期3D多组学图谱

　　“果蝇是生物学研究中重要的模式生物之一，在遗传学、发育生物学、神经生物学以及分子生物学等领域都有着不可替代的位置。此外，人类约70%的致病基因可在果蝇身上找到同源基因。”华大生命科学研究院博士王明月介绍，理解果蝇发育过程及基因调控机制，不仅能够帮助研究人员更好地探究生命发育等方面的重要科学问题，还能为人类疾病领域的相关研究提供参考。

　　为了弄清果蝇的发育过程，研究团队基于相关技术，针对果蝇胚胎发育过程、幼虫和蛹期的各个关键阶段进行采样。通过这一系列操作，团队生成了超过380万个具备空间分辨率的单细胞转录组，并利用Spateo算法工具重建出高精度3D模型，实现了对果蝇组织形态与基因表达空间动态的精准解析，构建了果蝇全周期3D多组学图谱。这一过程，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激活了哪些基因。

　　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”，解析了决定细胞命运的关键分子机制。

　　通过追踪细胞这一“演员”在发育过程中的“走位”，研究团队发现，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。例如，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。这一发现，就如同在剧本中挖掘出了隐藏的重要情节，极大地拓展了人们对发育调控的认知。

　　解析中肠细胞动态生长过程

　　研究团队运用Stereo-seq技术，深入揭示了果蝇中肠细胞类型的动态变化及其空间布局规律。

　　在幼虫期，果蝇中肠体积显著增大，细胞类型更加多样化，其内分泌细胞分化为多个亚簇，分布位置与成虫中肠的功能分区高度相似。到了幼虫L3阶段，果蝇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，这印证了变态前细胞程序性死亡的关键调控机制。在蛹期，果蝇中肠分化为内外两层结构。内层细胞富集了与金属离子代谢相关的基因，外层细胞则主要表达抗菌基因，这暗示着在变态发育过程中，中肠的不同层次承担着不同的功能。在胚胎期，果蝇中肠的基因表达模式与成虫阶段高度一致。

　　研究发现，果蝇幼虫期的中肠干细胞已“预习”了未来的分工模式，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。

　　研究团队不仅动态解析了果蝇中肠功能分区的演变过程，还发现了调控中肠发育的关键转录因子。

　　果蝇中肠的铜细胞就像体内的“金属管家”，在维持金属离子平衡和胃酸分泌方面发挥着关键作用。一旦其功能出现异常，就可能导致代谢紊乱。研究团队通过多组学分析，首次发现了在铜细胞发育中起核心调控作用的转录因子exex。

　　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。如果敲降exex，铜细胞便会“罢工”，表现为数量锐减、形态异常，且无法积累铜离子。这充分证实了exex对铜细胞分化与功能维持的必要性。

　　此外，exex还能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协同作用于启动子区域，显著增强对铜细胞的调控效率。

　　这一重要发现揭示了果蝇中肠金属稳态调控的新机制，为人类肠道等器官的发育过程研究提供了参考。

　　华大生命科学研究院研究员刘龙奇表示：“本次研究在此前果蝇图谱成果的基础上，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描述了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。”