Nature Communications | 赵兴明/李笑天/杨禹丞合作构建人类视网膜发育细胞时空图谱

2025年3月7日，复旦大学计算神经科学与类脑智能教育部重点实验室赵兴明、杨禹丞团队与复旦大学附属妇产科医院李笑天团队合作在Nature Communications杂志上发表了题为Spatiotemporally resolved transcriptomics reveals the cellular dynamics of human retinal development的论文。文章利用空间转录组技术构建了人类早期胚胎视网膜的时空基因表达谱，详细分析了发育过程中视网膜神经元亚型的空间分布及增殖动态，为研究人类视网膜形成相关的功能变化以及神经元发育与疾病的交互提供了重要资源。

发育中的脊椎动物视网膜源于神经外胚层，主要由神经前体细胞和神经元组成。近期的研究借助单细胞测序及荧光免疫染色技术揭示，不同类型的中间神经元由多种中间前体细胞分化而来，其发育启动时间及空间分布呈现显著的异质性。然而，与细胞空间定位匹配的高通量信号的缺失阻碍了对发育中视网膜的空间表达的解析。为此，研究团队对来自受孕后第9周至第17周的人类早期视网膜组织进行了10x Visium空间转录组测序，并结合单细胞转录组数据进行全面的多组学研究。

首先，研究团队根据H&E染色图像手动建立了视网膜坐标系统，以精确标定空间转录组数据在视网膜径向及切向两个方向的位置。为了探索不同细胞亚型的时空分布模式，研究人员结合单细胞转录组数据对空间转录组数据进行基因表达解卷积，从而描绘出不同细胞亚型的时空分布演进规律。通过结合空间位置信息和基因表达谱，研究人员将发育中的视网膜划分为多个空间区域，并将其与特定的细胞类型和基因功能相联系。特别的，他们在睫状体边缘发现了独特的空间区域，该区域内上调的基因在成人睫状体内的非色素上皮细胞中富集，而后者被认为是潜在的视网膜干细胞。

为了进一步探讨视网膜发育的基因调控，研究人员在各空间区域内对转录因子和RNA结合蛋白进行了跨发育阶段的差异表达分析，鉴定出NRL和HES5等关键调控基因，并强调了RNA结合蛋白在整个早期视网膜发育过程中的广泛参与。此外，通过构建空间细胞通讯网络，他们发现早期视网膜的细胞通讯过程沿径向分层呈现出从两侧向中间传导信号的趋势，并识别出MDK-LRP1这一重要的配体-受体对，在前体细胞向神经节细胞的通讯过程中发挥重要作用。

最后，为了探究视网膜发育与临床问题之间的联系，作者们使用视网膜疾病基因集对各空间区域进行了富集分析，发现了中间祖细胞Neurogenic cell与早产儿视网膜病变的关联。同时，通过分析脂肪酸代谢及脂溶性维生素（如维生素A）相关基因集在发育中视网膜上的时空表达模式，研究人员提出了关于孕期补充脂溶性维生素的最佳时间窗口位于受孕后12周左右的观点。

综上所述，本研究在多个发育阶段生成了人类胚胎视网膜的时空转录组资源，描绘了发育中视网膜细胞类型组成的时空动态，建立了空间区域与细胞类型和基因功能之间的联系，鉴定了与视网膜发育、疾病相关的关键调控基因，并重建了人类视网膜发育过程中的空间细胞通信网络。这些数据将有助于对该领域研究提供更多的见解。