Cell：绘制4D分子图谱，揭开毛囊形成的动态过程|cell|细胞|转录组

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

要想理解器官形成，需要在三维空间和发育时间中同时捕获分子信息，从而重建器官在四维中的发育过程，然而，目前的方法要么牺牲空间分辨率，要么牺牲时间分辨率，难以同时获取所有维度的分子信息。

2026 年 7 月 1 日，约翰·霍普金斯大学的研究人员在国际顶尖学术期刊Cell上发表了题为：Four-dimensional molecular mapping from a spatial snapshot reveals the dynamics of hair follicle organogenesis 的研究论文。

该研究开发了三维 DNase 增强表达谱分析（3DEEP）技术，这是一种通过去除基因组 DNA 将空间转录组学分析范围延伸至完整组织内数百微米深度的组织透明化方法。将 3DEEP 技术应用于新生小鼠皮肤，研究团队捕获了其器官发生轨迹中数百个发育中的毛囊。通过分子推断的发育年龄对毛囊进行排序，将这一单一空间快照转化为器官发生的四维（三维空间 + 一维时间）分子图谱。该图谱揭示了从干细胞区室分层、毛囊内新型细胞亚型的出现，到毛管形成的级联结构转化等发育动态。对 Foxn1 缺陷的无毛小鼠的比较分析显示，在明显结构缺陷出现之前，发育动力学已发生全器官范围的变化（包括分子进程延迟、协同性降低和发育不稳定性增加）。这项工作展示了深层组织空间转录组学如何揭示器官形成中隐藏的动态过程。

器官形成是一个动态过程，涉及新细胞类型的有序出现，以及它们协调生长并组装成具有特定功能的三维（3D）结构。要理解这一过程并描述其在先天性异常中如何受到干扰，需要同时在时间和空间维度上进行追踪。虽然可以通过超声或磁共振成像等影像手段追踪宏观解剖变化，但要想在分子水平上实现时空追踪却颇具挑战。目前的方法通常需要牺牲分子细节（例如活体成像）、空间组织（例如解离的单细胞图谱）或时间分辨率（例如空间图谱）。要完整捕捉器官组装的动态过程，需要在三维空间和时间维度上同时绘制器官发生过程——也就是在四维（4D）中进行。

毛囊（Hair Follicle）是哺乳动物的微型器官和标志性特征，为器官发生过程的四维（4D）映射提供了独机会。与其他器官不同，毛囊在胎儿期及出生后早期会持续不断地被诱导形成。在此期间的任意时间点，皮肤中都含有大量处于不同发育阶段的毛囊。这种发育的异步性使连续取样方法变得复杂，但结合毛囊体积小的特点，却创造了新的机遇：通过一次空间快照即可捕捉数百个覆盖整个器官发生轨迹的毛囊，并按其发育阶段进行排序，从而仅凭一张空间图像便能重建器官发生的时序维度。

尽管在 4D 成像方面具有独特性，毛囊的形成过程涉及与其他器官共有的发育机制，包括不同胚层之间的协调。表皮谱系（外胚层）贡献角质形成细胞——毛囊的主要细胞，这些细胞在毛囊形成期间内陷进入真皮层，构成毛囊结构的主体并最终生成毛干本身。神经嵴谱系（外胚层）主要贡献黑色素细胞，它们从皮肤表面迁移进入毛囊，为毛发提供色素。真皮谱系（中胚层）贡献成纤维细胞，它们形成包裹毛囊的真皮鞘以及毛囊球基底部的真皮乳头（dermal papilla）。这些成纤维细胞在毛囊形成期间提供指示性信号，并在整个生命周期中调控其再生。因此，毛囊不仅特别适合进行 4D 成像，也为理解多种细胞类型如何在器官发生过程中出现和组织提供了广泛信息。

然而，要实现这一潜力，必须克服一个解剖学上的挑战。毛囊深入皮肤达 200-400 微米（μm），其结构在三个轴向上均复杂、弯曲且无规律重复，因此难以通过依赖薄层二维切片的空间转录组学方法完整捕捉。。因此，要完整捕捉毛囊，就需要采用厚组织空间转录组学技术。

在这项新研究中，研究团队开发了三维 DNase 增强表达谱分析（3D DNase-Enhanced Expression Profiling，3DEEP）技术，这是一种凝胶包埋和组织透明化方法，通过去除基因组 DNA 来改善探针渗透和酶处理效率，从而在厚度达 400 微米的切片上实现高信号强度的空间转录组学分析。

研究团队将 3DEEP 技术应用于野生型的新生小鼠皮肤，从超过 40 万个细胞中识别出 224 个基因的 3000 万个转录本，在 3D 空间中分离出 600 多个处于不同器官发生阶段的完整毛囊。每个毛囊的分子组成反映了其发育阶段，从而能够计算整个器官的伪时间，将毛囊沿其发育轨迹排序，最终创建了毛囊器官发生的 4D 分子图谱。该图谱可通过交互式在线浏览器访问（https://jef.works/CellCarto-3DEEP/），

研究团队进一步揭示了毛囊器官发生过程中三个不同的分子阶段动态：第一阶段以轴向模式和干细胞分层为特征，第二阶段为结构多样化和毛囊球形成，第三阶段为快速生长和通道形成。研究团队还分析了 Foxn1 缺陷的无毛小鼠，捕获了超过 40 万个细胞中的 2300 万个转录本，分离出 262 个完整毛囊。比较分析揭示，无毛表型涉及发育动力学的全器官范围变化——包括分子进程延迟、协同性降低和不稳定性增加——这些变化先于明显的结构缺陷。