EmAtlas:探索哺乳动物胚胎发育时空动态的综合图谱

2022-11-14 175文献解读

胚胎发育研究的重要性日益显现,这迅速增加了与多组学数据相关专业资源的数量。然而,缺乏全球胚胎发育库和系统分析工具,限制了干细胞研究、人类先天性疾病和辅助生殖领域的发展。2022年10月,《Nucleic Acids Research》发表了一种名为EmAtlas的数据库,收集了最全面的多组学数据,并提供了多尺度工具来探索哺乳动物胚胎发生过程中的时空动态。

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EmAtlas是什么?

EmAtlas收集了最全面的哺乳动物发育多组学数据,致力于探索胚胎发生的时空动态,可用于发现新的潜在组织生物标志物,分析细胞异质性,浏览时空表观遗传图谱和生物学通路,探索先驱性蛋白因子的功能域和结构。 

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EmAtlas包含了多种类型的基因表达、染色质可达性、DNA甲基化、核小体占位、组蛋白修饰和转录因子的数据,显示了小鼠和人类在几个时间点的完整时空景观,涉及配子发生、植入前,甚至胎儿和新生儿,每个组织都涉及各种细胞类型。为了表征哺乳动物胚胎发生过程中涉及组织、细胞、基因组、基因和蛋白质水平的特征,还开发了这五种尺度的分析工具。此外,开发团队建议 EmRanger 提供广泛的与发育相关的生物背景注释。

EmAtlas有哪些功能?

基于用户友好的界面,用户可利用EmAtlas实现分析、浏览、可视化和数据下载等功能。

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EmAtlas提供了描述哺乳动物胚胎发育的五种尺度的分析工具,包括组织、细胞、基因组、基因和蛋白质,并允许用户探索不同阶段的发育相关熵、生物通路、相互作用网络和细胞/组织生物标记物。

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用户可以访问 EmRanger,并在文本框中键入或粘贴包含一个或多个基因名称的列表。或者,可以上传基因列表文件。然后,检测基因并使用它们的 Ensembl ID、基因型和其他信息进行注释。最后将上述数据提交给后端服务器进行分析。分析完成后,将生成在线分析报告。

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EmAtlas 的一个典型应用是探索潜在的跨物种组织发育调节因子。以胎儿大脑的发育为例。Single Cell Cluster工具显示,神经元是人类和小鼠胎儿大脑的主要细胞类型,其百分比超过80%(上图A)。因此,我们专注于神经元发育,并确定了人和小鼠共有的神经元特异性高变异基因(HVG)。EmRanger分析结果表明,这些HVG主要富集于与神经系统和大脑发育相关的一些生物过程中(上图B)。这些HVG的失调可导致疾病的发生,如多动症、散发性癫痫和异常的脑形态发生。上述分析表明,人和小鼠之间可能存在类似的神经元发育机制,表明将小鼠作为人类神经发育疾病的模型动物是可行的。随后,选择了神经元中特异表达的四个代表性基因(Stmn2、Tuba1a、Gpm6a和Tagln3)(上图C)。Stmn2、Tuba1a和Gpm6a已被证实在早期神经发生和维持神经元形态方面发挥关键作用。

Tagln3在先前的研究中被认为是泛神经元标记,但在神经发育过程中 Tagln3 的时空表达模式和动态表观基因组景观仍然缺乏特征。EmAtlas进一步证明Tagln3在小鼠脑组织中特异性表达,包括前脑、中脑、后脑和神经管,其中神经管的表达水平最高(上图D,E)。值得注意的是,Tagln3在第13.5天在胎儿神经管中达到最大表达水平,然后逐渐下降,直到出生后阶段(上图F)。此外,Tagln3 启动子的高染色质可及性与H3K27ac和H3K4me1的沉积平行,从第11.5天到第15.5天甲基化水平低,在神经管发育过程中显示出明显的表观基因组动力学(上图G)。值得注意的是,H3K27ac 在第13.5天在神经管中显著富集,与第13.5天神经管中Tagln3的高表达水平一致。这些结果表明,Tagln3可能是塑造神经系统早期发育的关键调节因子。

总的来说,EmAtlas 为实验生物学家提供资源和理论指导,以识别潜在的调节因子并破译它们在胚胎发生过程中细胞命运决定中的分子机制。

综上所述, EmAtlas不仅为哺乳动物胚胎发育提供了全面的时序多组学资源,而且还设计了一个云平台和一系列工具,用于在多个尺度上理解哺乳动物胚胎发育。 未来,EmAtlas将不断更新多组学资源和分析策略,为发育生物学、再生医学、辅助生殖和先天性疾病提供更详细的指导。

EmAtlas: http://bioinfor.imu.edu.cn/ematlas

参考文献Zheng L, Liang P, Long C, et al. EmAtlas: a comprehensive atlas for exploring spatiotemporal activation in mammalian embryogenesis[J]. Nucleic Acids Research, 2022.图片来源于Nucleic Acids Research官网和参考文献,如有侵权请联系删除。

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