Nat Commun丨景乃禾、索生宝课题组合作构建小鼠胚胎原肠运动过程的时空多组学调控网络图谱|原肠|小家鼠|景乃禾|染色质|细胞|转录组

胚胎发育过程的研究对解析生命的本质、探索生命的起源与进化的奥秘、认识人类胚胎源性疾病的分子机制等，都具有极其重要的意义。胚胎发育过程主要伴随有细胞命运的层级分化、细胞数量的迅速扩增及细胞的剧烈迁移等，最终实现胚胎中细胞类型和功能的多样化和形态模式的建成，形成具有前 - 后 (Anterior-Posterior) 、背 - 腹 ( Dorsal-Ventral) 和左 - 右 (Left-Right) 等不对称性特征的生命个体。

在哺乳动物胚胎发育过程中，原肠运动阶段是一个至关重要的时期。胚胎经过原肠运动，均一的胚胎上胚层结构逐渐形成具有不同发育命运的外、中、内三个胚层。小鼠胚胎胚层发生过程中的细胞轨迹及分子调控网络一直是领域内研究的重点和难点。近年来，景乃禾团队针对这一重要的科学问题，先后通过开发深度的空间转录组测序技术（ Geo-seq ）和少量细胞的表观遗传学测序技术（ lc ChIP-seq ）等，构建了小鼠原肠胚的转录组图谱和表观遗传全景图（ Nature 2019 ; Cell Research 2019; Cell Research 2018 ; Developmental C ell 2016 ）。在此基础上，他们通过开发单细胞转录组的空间重构算法，构建了小鼠胚胎原肠运动过程中的单细胞精度空间转录组图谱，揭示了小鼠原肠胚中单细胞分布的空间异质性，发现了胚胎左 - 右体轴建立新的发育起点（ Nature Communications 2023 ; iScience 2025 ）。

团队近期的机制研究进一步表明，在胚胎发育过程中，基因组非编码基因区域及调控元件区域可以通过多种跨模态作用方式，整合协同多种机制（信号通路、转录因子、表观遗传状态），调控近端和远端基因的表达，最终实现对早期胚胎的胚层谱系发生及随后的器官形态建成过程的关键调控作用（ Cell Discovery 2025; Advanced Science 2025 ; Cell Regeneration 2025 ）。因此，单纯的转录组学或者表观组学难以窥见胚胎发育过程中的分子调控机制的全貌，亟需从系统性多模态的视角全面考察胚胎发育过程的复杂调控网络。

2026 年 1 月 1 2 日， Nature Communications 在线发表了广州国家实验室景乃禾团队与索生宝团队的最新合作研究成果

Integrated Multi-omic Atlas reveals the Hierarchy of Spatiotemporal Regulatory Networks of Mouse Gastrulation

。该研究通过开发基因组调控元件及表达基因的基因组范围连锁算法(BioCRE)绘制小鼠原肠运动过程中的时空多组学调控网络图谱( ST- MAGIC 和 ST-MAGIC (+)) ，首次实现了将胚胎发育过程中的单细胞尺度的基因表达、染色质开放程度、转录因子活性及响应性、信号通路活性及响应性以及细胞时空定位等五维数据的有机整合，构建了各胚层谱系命运决定过程中关键分子调控机制（转录因子和信号通路等）时序接力的逻辑框架模型，发现了小鼠胚胎左 - 右体轴‘早期不对称’阶段即存在大量调控元件呈现出左 - 右差异性的开放模式，阐明了关键转录因子级联网络（ Eomes - Foxa2 - Noto & Pou6f1 ）、信号通路（ NODAL 信号， WNT 信号等）活性和响应性时空变化在胚胎轴中内胚层谱系（ axial mesendoderm lineage ）发育过程中的规律，进一步验证了转录因子 NOTO 和 P OU6F1 在调控轴中内胚层关键细胞亚型 - 结点细胞（ Node ）功能成熟及其纤毛发生过程中的关键作用。这项工作，构建了一个解析胚层谱系建立规律、胚胎空间模式的调控机制的通用逻辑框架模型，为理解哺乳动物胚胎发育的底层调控逻辑提供了重要基础，有望推动胚胎发育及干细胞转化研究领域的发展。

该项研究的主要研究内容及具体发现如下：

1. 绘制小鼠原肠胚单细胞多组学图谱，开发基因组调控元件与表达基因之间调控关系预测算法 BioCRE ，重构小鼠原肠运动全过程时空多组学调控网络图谱

为了研究小鼠胚胎原肠运动过程中的时空调控网络，研究团队利用 1 0 x multi-omics 双组学（转录组及染色质可及性）测序技术，全面检测了从胚胎发育 E 6.5 至 E 7.5 阶段每 6 个小时胚胎的单细胞基因表达和染色质开放程度。通过对该阶段胚胎中 3 1 个主要细胞类型的精准注释，研究人员发现所得数据能够精确反映原肠运动过程中主要基因的动态表达规律及染色质开放程度的变化规律。

利用这套高质量数据，研究团队构建了用于预测单细胞层面调控元件和表达基因调控关系的新算法 - BioCRE 。通过与当前主流工具 Signac 和 ArchR 的系统性基准对比研究，发现 BioCRE 在多个关键指标上均表现更优：不仅在捕获细胞类型特异性的调控关系方面更加准确，而且在不同测序深度条件下仍保持了更高的运行稳定性；同时， BioCRE 的计算效率显著提升，并与参考染色质互作数据之间展现出更高的一致性。总体而言， BioCRE 在性能、稳定性和生物学可信度方面均优于现有方法。基于此，研究人员利用 BioCRE ，系统性分析了小鼠原肠胚中的调控元件与表达基因之间的复杂调控网络，发现了在原肠胚中同时存在大量近端和远端的调控元件参与基因表达的有序调控，也发现并验证了大量原肠胚中先前未被发现的关键调控元件。

2. 构建胚层谱系命运决定过程中转录因子和信号通路等关键分子调控机制时序接力的逻辑框架模型

发育潜能（ Competence ）是发育生物学领域中的一个关键观念。细胞的发育潜能往往反映为其对转录因子及信号通路等刺激的响应性。不同的转录因子及信号浓度梯度差异可以引起具有潜能的祖细胞最终走向不同的发育命运。然而，细胞是如何保持或丧失对特定转录因子、信号通路的响应性的分子机制，目前仍很不清楚。

研究表明，转录因子和信号通路发挥作用往往涉及到一系列复杂的级联网络。通常，转录因子在自身表达后，需要进入细胞核并与相应的基因组靶调控元件区域结合，进而发挥对下游靶基因的调控作用；信号通路则往往需要通过不同浓度梯度的细胞外配体与细胞膜表面受体结合，引起下游效应分子进入细胞核后，再与相应的基因组靶调控元件区域结合后，进而发挥对下游靶基因的调控作用。复杂的多层级联网络间的时空协同是转录因子和信号通路发挥作用的关键。然而，目前尚没有有效的系统性方案可以实现对转录因子和信号通路调控网络的整合。

针对该问题，研究人员利用团队前期建立的胚胎原肠运动过程中的空间转录组坐标系统（ Nature 2019; Nature Communications 2023 ），利用生物信息学手段，将所得单细胞基因表达信息、染色质开放程度、以及调控元件和基因之间的调控关系还原到胚胎的三维坐标系统，重构出了小鼠原肠运动全过程时空多组学调控网络图谱（ SpatioTemporal reconstructed Multi-omic Atlas of the Gastrulating In-silico Cells , ST-MAGIC ），从而实现了对原肠运动过程中所有表达基因、任意染色质元件的开放程度、以及基因与调控元件调控关系的时空动态特征的精细表征。同时，为进一步解析发育调控的动态逻辑，研究团队在 ST-MAGIC 框架基础上，通过引入转录因子和信号通路多个调控层级之间的关联信息构建了 ST-MAGIC (+) 框架模型，实现了对调控网络进行方向性与时序性的重构，从而揭示了不同胚层谱系命运决定过程中关键调控机制的时序接力关系（图1）。

图 1. 构建胚层谱系命运决定过程的逻辑框架模型

3. 揭示胚胎空间模式建成过程中左 - 右体轴 “早期不对称” 阶段的表观遗传基础

胚胎左 - 右（ Left-Right, L-R ）体轴的不对称性建立，是哺乳动物胚胎发育过程中高度保守且至关重要的事件。传统观点认为， L-R 不对称性的建立主要发生在结点细胞（ Node ）形成并开始产生纤毛流之后，景乃禾课题组近期多项工作发现，在更早的原肠运动阶段，小鼠胚胎在转录组层面就已具有左 - 右不对称的基因表达模式（ Nature Communications 2023 ； iScience 2025 ），然而其中的调控逻辑有待进一步解析。

基于上述统性框架模型 ST-MAGIC ，研究人员发现在小鼠胚胎左 - 右体轴“早期不对称”阶段即存在大量调控元件呈现出左 - 右差异性的开放模式，该不对称性并非在形态结构（ Node ）出现后才被 “触发” ，而是在更早的发育阶段即已在表观遗传层面被 “预先编程” 。该发现从染色质可及性和调控元件活性的角度，为胚胎左 - 右体轴建立的分子机制提供了新的见解。

4. 系统解析轴中内胚层（ axial mesendoderm ）谱系命运决定过程中染色质及转录因子调控网络的时序接力规律

轴中内胚层是小鼠胚胎发育过程中重要的细胞谱系，是结点、脊索等结构的发育基础，在胚胎前 - 后轴及左 - 右轴的建立过程中均具有重要调控作用。该谱系在原肠运动过程中经历了快速的状态转变及细胞迁移，其命运决定的分子调控逻辑长期缺乏系统解析。

通过整合基因表达、染色质开放程度及调控元件 - 基因耦联关系等，研究人员描绘了轴中内胚层谱系发育过程中关键转录因子的级联变化轨迹。其中， EOMES 和 FOXA2 在轴中内胚层谱系发育早期阶段发挥“启动”和“奠基”作用，主要参与染色质可及性重塑和谱系潜能建立；而在随后的发育阶段， NOTO 和 POU6F1 等转录因子被逐步激活，“接力”调控下游靶基因的表达，推动轴中内胚层向功能成熟状态转变。因此，该研究首次在单细胞、多组学和时空整合的框架下，系统阐明了轴中内胚层谱系命运决定过程中“ 染色质 - 转录因子时序接力”的分子逻辑，为理解关键瞬态谱系发育提供了重要参考。

5. 揭示信号通路活性与响应性的染色质基础并验证关键 “接力” 转录因子在结点细胞功能成熟中的核心作用

在胚胎发育过程中，信号通路并非仅通过配体 - 受体相互作用简单地 “ 开或关 ” ，其效应高度依赖于细胞对信号的响应性状态。转录因子丰度、染色质响应性、信号下游靶基因网络等多层面复杂因素都对该过程有重要影响。为进一步探究信号通路活性的染色质基础，利用 ST-MAGIC (+) 框架，研究人员对转录因子调控网络与经典发育信号通路的活性及响应性变化进行了系统整合分析。

研究发现，在小鼠胚胎轴中内胚层谱系发育过程中， NODAL 和 WNT 信号的活性变化与特定染色质调控元件的开放状态高度耦联，信号通路的 “ 响应窗口 ” 在时空上受到精细调控，总结了早期、中期、末期各阶段转录因子及信号通路活性及其细胞响应性的时空动态规律。如晚期转录因子 NOTO 和 POU6F 1 需要依赖早期转录因子打开其染色质结合靶点，从而调控纤毛发生相关基因的表达，并最终影响结点细胞处的纤毛发生过程。研究人员构建了相关基因缺失的小鼠胚胎，发现 NOTO 和 POU6F1 主要通过影响相关靶基因的表达而不是染色质结合靶点区域的开放程度，最终对纤毛结构的发生产生影响（图2）。

图 2. NOTO和POU6F1作为“最后一棒”在结点细胞成熟及纤毛发生过程中的发挥关键作用

总的来说，该研究通过构建小鼠原肠运动过程中的时空多组学调控网络图谱，系统揭示了胚层谱系命运决定和胚胎空间模式建成背后的分子调控逻辑，实现了对基因表达、染色质状态、转录因子活性、信号通路响应性及细胞时空定位等多维信息的有机整合，提出了谱系分化进程中的"多层级时空接力网络"的调控框架模型，为系统理解哺乳动物胚胎发育提供了新的视角，也为解析胚胎发育异常及相关疾病的分子机制奠定了重要基础。

本研究主要由广州国家实验室景乃禾团队、索生宝团队合作完成，杨贤法博士、谢兵兵博士、沈朋雷博士和陈莹莹博士为该论文的共同第一作者，景乃禾研究员、索生宝研究员为该论文的共同通讯作者，澳大利亚悉尼大学 Patrick Tam 教授、加拿大多伦多大学 Chi -chung Hui 教授等在研究过程中提供了大量宝贵的建议和帮助。

https://www.nature.com/articles/s41467-026-68291-w

制版人：十一

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（*排名不分先后）