进入单细胞空间隧道探索生命演化奥秘 | 时空简讯50期

时空简讯第50期。

长久以来，生命的演化历经种类由少到多，结构由简单到复杂，形式由低等到高等，逐渐趋于复杂化，然而人类对于生命演化的探索脚步从未停止。但受到认知和技术的局限，关于生命演化的很多知识领域还处于空白。单细胞和空间组学技术的发展逐步实现了对生命演化的多维分析。在这些新兴技术的带领下，人类可能会更深入地了解生命演化的奥秘。

在此，我们遴选了10篇应用单细胞和空间组学技术研究动物（器官）和植物进化的文章，以期为理解动物和植物的进化过程对人类生命发展和存在意义的影响提供参考。

动物（器官）进化

Animal (Organ) Evolution

01、脑

哺乳动物初级运动皮层的多模态细胞普查和图谱

Nature [IF: 49.962]

① 报告了作为BRAIN Initiative Cell Census Network（BICCN）的哺乳动物初级运动皮层的多模式细胞普查和图谱的生成，这是通过协调大规模分析单细胞转录组、染色质可及性、DNA甲基化组、空间分辨单细胞转录组、形态和电生理特性及细胞分辨率输入输出映射，通过跨模态计算分析集成实现的，促进了对脑细胞类型组织的整体认识和理解。

② 通过对小鼠、绒猴和人类转录组的比较分析，得出了皮质细胞反映发育起源的层次的、跨物种的保守细胞类型，不同物种间细胞类型粒度的转录相似性随进化距离的变化而变化；揭示了在三个物种中高度保守的转录组和表观基因组的特征，以及大量可以表明进化特异性的基因表达谱。

③ 结合解剖学研究，发现了一个固定在主要转录组定义的投射类型上的小鼠初级运动皮层（MOp；灵长类动物称为M1）的细胞分辨率接线图，包括亚种群水平上的输入-输出连接和基因定义的单细胞水平上的通路。

④ 解释了谷氨酸能兴奋性神经元的长程轴突投射模式与转录组和表观遗传类型（一对一和多对多之间）具有复杂而多样的关系，认为在定义单细胞连接特异性方面存在着另一种调节水平。（潘宏伟）

三种哺乳动物初级运动皮层细胞类型的综合分析

A multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex.

2021.10.06, DOI: 10.1038/S41586-021-03950-0

研究文章；小鼠，狨猴，人，脑，运动皮层，运动神经元，谷氨酸能兴奋性神经元，scRNA-seq，snRNA-seq，snmC-seq2，snATAC-seq，MERFISH；Edward M. Callaway, Hong-Wei Dong；Systems Neurobiology Laboratories, the Salk Institute for Biological Studies; USA.

鳞状脑的比较分析揭示与运动专门化相关的小脑结构的多层次变异

Nature Communications [IF: 11.878]

① 结合单细胞分布和转录组数据，以及高清晰度3D模型的几何形态、系统发育和体积分析，揭示了40种有鳞动物（29种蜥蜴和11种蛇）小脑形状和大小的显著变化，以及皮层神经元的替代空间布局和动态基因表达，这些都与运动行为相关。

② 通过比较转录学，确定具有相似或不同运动行为的代表性鳞类物种小脑基因表达的相似性；基于同源基因归一化表达值的热图分析和系统聚类分析，发现了三个具有特征基因表达模式的簇，包括鳞片类物种之间的相似（上调或下调，簇1和簇2）或差异（簇3）表达。

③ 运动模式是小脑大小、形状、PC空间组织和基因表达水平的有力预测因子，差异基因的表达可能反映了鳞类动物不同的运动模式。

④ 随着小脑形状和大小的改变，浦肯野细胞的空间分布和动态基因表达模式呈现出异质性，这都与运动特化有关。（XUC）

不同运动行为的鳞类动物小脑大小变化

Comparative analysis of squamate brains unveils multi-level variation in cerebellar architecture associated with locomotor specialization.

2019.12.05, DOI:  10.1038/s41467-019-13405-w

研究文章；鳞类动物，大脑，小脑，浦肯野细胞，运动模式，进化，scRNA-seq；Simone Macrì，Nicolas Di-Poï; Institute of Biotechnology, University of Helsinki; Finland.

02、肺

scRNA-seq结合长读基因组组装揭示牦牛适应性进化的遗传和细胞机制

Nature Communications [IF：17.694]

① 利用二代、三代测序和Hi-C数据构建了野牦牛和家牦牛的高质量染色体水平基因组，通过长读数据筛选基因组结构变异（structural variants，SVs）提供了牦牛SVs的全基因组目录，并应用scRNA-seq绘制了牛肺组织的单细胞转录组图谱，这为了解牦牛适应性进化的遗传和细胞机制提供了重要的信息。

② 野牦牛基因组为2.63 Gb，家牦牛基因组为2.61 Gb，两者同为30条染色体；BUSCO评价野牦牛和家牦牛基因组组装和注释完整性为93.3%和93.2%。

③ 检测野牦牛和家牦牛的SVs，发现野牦牛基因组存在大量缺失、插入、重复和倒置序列，且大部分SVs位于非编码区，与心、肝和肾等相比，肺中携带SVs的DEGs最多；对以上DEGs的启动子基序进行富集分析，确定了ARNT、GATA1、MAGF、KLF5及HOXB5共5个与缺氧反应相关的转录因子。

④ 通过scRNA-seq分析31,579个野牦牛细胞和27,951个家牦牛细胞，构建了野牦牛和家牦牛肺的单细胞图谱，鉴定出四种主要细胞类型（上皮细胞、内皮细胞、间充质细胞和免疫细胞），并识别出牦牛肺中一类特异性的内皮细胞亚型。

⑤ 与高海拔适应相关的EPAS1基因在野牦牛内皮细胞中富集，参与弹性纤维组装的LOX基因在家牦牛间充质细胞中富集；利用组织学染色检查肺，发现野牦牛微血管内侧增厚明显，存在较多可增强肺收缩能力的弹性纤维。

⑥ 整合SVs和scRNA-seq数据，发现家牦牛肺内皮细胞比野牦牛表达更多的DEGs，表明肺中内皮细胞的发育和野牦牛对高原的适应性可能受SVs影响，揭示了野牦牛适应高原环境的遗传基础。（Yuki）

牦牛基因组SVs的鉴定结果

Long read genome assemblies complemented by single cell RNA-sequencing reveal genetic and cellular mechanisms underlying the adaptive evolution of yak.

2022.09.06, DOI: 10.1038/s41467-022-32164-9

研究文章；牦牛，普通牛，肺，内皮细胞，弹性纤维，高原适应性，基因组，结构变异，scRNA-seq；Xue Gao, Sheng Wang, Xin-Quan Zhao, Dong-Dong Wu, Qi-En Yang; 中国科学院西北高原生物学研究所，中国科学院大学，中国科学院昆明动物学研究所，中国科学院动物进化与遗传学卓越中心；中国

03、胰岛

胰岛细胞的转录跨物种图谱

Molecular Metabolism [IF：8.568]

① 利用scRNA-seq，分析了来自5个人、2只猪、3只小鼠的5万多个胰岛细胞，并描述了跨物种的转录异质性和保守性，以及不同的α和β细胞状态，提供了一个健康的人类胰岛细胞及其小鼠和猪对应细胞的高分辨率转录图谱，使跨物种研究胰岛细胞异质性、功能、成熟和压力成为可能。

② 物种间内分泌表达谱整体上相关并共享关键特征和分子标志物，但仅有约20%的细胞类型性富集表达是保守的。

③ 解析不同状态下的人类α细胞和β细胞的连续转录组全景图，这些状态差异能激活成熟和激素分泌程序，这与调节激素受体表达、信号通路和不同细胞压力反应有关。

④ 通过比对小鼠、猪的细胞到人类参考图谱，发现人类α细胞和β细胞的异质性谱和荷尔蒙受体、离子通道相关基因在猪的内分泌细胞中表达更保守。（舟江海）

scRNA-seq捕获的人类、猪和小鼠胰岛四个主要内分泌细胞群的UMAP图谱

A transcriptional cross species map of pancreatic islet cells.

2022.09.13, DOI: 10.1016/j.molmet.2022.101595

研究文章；人，猪，小鼠，胰岛细胞，α细胞，β细胞，保守性，转化，scRNA-seq；Sophie Tritschler, Heiko Lickert, Fabian J Theis; Institute of Computational Biology, Institute of Diabetes and Regeneration Research, Technical University of Munich, Institute of Stem Cell Research, German Center for Diabetes Research (DZD)；Germany.

04、膀胱

人和小鼠的膀胱单细胞转录组图谱研究

Journal of the American Society of Nephrology [IF：8.547]

① 对三个新鲜的人膀胱样本进行scRNA-seq测序，获得12,423高质量的细胞，分成了16个细胞簇，注释成了成纤维细胞、中间细胞等细胞类型。

② 通过对人膀胱细胞中的中间细胞进行分析，发现了一个新的中间细胞亚型，该细胞亚型高表达与神经传导和过敏反应有关的ADRA2A和HRH2基因。

③ 在人膀胱细胞中的上皮细胞中以前从未被报道过的TNNT1+膀胱上皮细胞，它可能参与膀胱排空，并存在于大鼠和小鼠膀胱中。

④ 通过人和小鼠比较分析，发现大多数细胞类型相关性较好，同时也发现了一些marker基因在人和小鼠中的表达具有异质性，表明人类和小鼠的进化都具有保守和异质性。（李小苇）

人鼠膀胱单细胞转录组图谱

Single-cell transcriptomic map of the human and mouse bladders.

2019.08.28, DOI: 10.1681/ASN.2019040335

研究文章；人，小鼠，膀胱，中间细胞，上皮细胞，scRNA-seq；Zhenyuan Yu, Jinling Liao , Yang Chen, Rirong Yang, Zengnan Mo；广西医科大学附属第一医院，广西医科大学，基因组与个性化医学中心；中国

05、其他

跨物种单细胞景观的深度学习可识别细胞类型背后的保守调控程序

Nature Genetics [IF：41.307]

① 利用Microwell-seq技术分别获得了635,228个、276,706个和95,020个斑马鱼、果蝇和蚯蚓的全身单细胞转录组数据，注释和亚聚类分析得到斑马鱼11个主要细胞系的105个细胞类型和1285个细胞亚型，果蝇12个主要细胞系的87个细胞类型和1085个细胞亚型，以及蚯蚓8个主要细胞系的62个细胞类型和462个细胞亚型。

② 整合了其他5种动物（人类、小鼠、海鞘、线虫和涡虫）的单细胞数据，通过SAMap分析检验跨物种细胞类型相似性，发现脊椎动物的细胞类型保守，如免疫、基质、神经元、上皮、内皮和生殖细胞；在8种代表性后生动物中共鉴定了2,342个细胞系特异性转录因子（TFs），通过计算每个物种TF特异性得分，评估了它们特异性细胞类型的遗传调控保守性。

③ 开发了用于在单细胞水平上预测基因表达和识别转录调控信号的、基于深度学习策略的Nvwa模型，发现其在预测生殖系细胞表达方面的正确性最高，并以小鼠神经元细胞为例，验证了Nvwa预测性能的稳健性。

④ Nvwa模型第一层卷积Filter代表了相应细胞类型的特定基序，该基序与已知的TF结合位点（TFBSs）具有很高相似性；跨物种比较Nvwa模型衍生Filter，同源Filter倾向于在不同物种间保持相似的细胞类型特异性。（Yuki）

scRNA-seq实验和生物信息学分析工作流程

Deep learning of cross-species single-cell landscapes identifies conserved regulatory programs underlying cell types.

2022.10.13, DOI: 10.1038/s41588-022-01197-7

研究文章；斑马鱼，果蝇，蚯蚓，保守调控程序，进化，Nvwa，深度学习，scRNA-seq，Microwell-seq；Jiaqi Li, Jingjing Wang, Peijing Zhang, Renying Wang, Xiaoping Han, Guoji Guo; 浙江大学医学院；中国

突触工具包的前后代动物祖先和第一个神经元的出现

Essays in Biochemistry [IF：7.258]

① 神经元存在于除海绵和胎盘动物以外的所有主要动物谱系中，且突触工具包（synaptic toolkit）的许多关键组成部分都存在于动物之外，尤其是它们的近亲中（鱼孢子虫、多形目、丝虫和领鞭毛虫）。

② 尽管神经元的许多成分都得到了深度保护，但神经元细胞类型中存在大量多样性，而认为栉水母和刺胞动物具有简单神经网络的传统观点低估了这些神经系统的复杂性。

③ 围绕神经元和突触的进化起源存在悬而未决的问题，神经元和突触在动物进化过程中进化过一次还是多次进化过仍存争议。

④ 单细胞转录组学和蛋白质组学的进步，以及非两侧对称动物和动物近亲单细胞动物功能技术的发展，为解决这些长期争论不休的问题提供了新的工具。（舟江海）

化学和电突触的主要组成部分

The premetazoan ancestry of the synaptic toolkit and appearance of first neurons.

2022.12.08, DOI: 10.1042/EBC20220042

综述；鞭虫，海绵，栉水母门动物，扁盘动物，刺胞动物，原生动物，突触，scRNA-seq，蛋白组，空间转录组；Jeffrey Colgren, Pawel Burkhardt; Sars International Centre for Marine Molecular Biology, University of Bergen；Norway.

植物进化

plant evolution

泛单细胞转录组揭示谷类作物中细胞分化的模式

Nature [IF: 64.800]

① 对玉米（Zea mays）、高粱（Sorghum bicolor）和狗尾草（Setaria viridis）的根进行scRNA-seq和snRNA-seq分析，解剖根来单独观察细胞，并精确观察基因在特定细胞中的表达位置，揭示了这些重要谷类作物之间的进化差异。

② 通过物种间的细胞类型映射，识别出了可靠的直系同源标记基因；比较细胞分析表明，某些细胞类型的转录组比其他细胞类型的更快分化，部分原因是从其他细胞类型募集基因模块。

③ 帮助产生根黏液的基因位于玉米、高粱和小米根的不同部位。此外，在不同类型的细胞中发现了50多个交换模块；交换的模块是基因的主要候选者，可以调节玉米和相关物种之间细胞特征的差异。

④ 最近的全基因组复制事件为新的、高度定位的基因表达结构域提供了丰富的来源，有利于细胞类型的快速进化。（寒鹤）

从玉米到高粱的细胞身份的基因重复分析

A pan-grass transcriptome reveals patterns of cellular divergence in crops.

2023.05.10, DOI：10.1038/s41586-023-06053-0

研究文章；玉米，高粱，拟南芥，scRNA-seq，snRNA-seq，泛转录组，保守基因模块，细胞演化，基因复制；Bruno Guillotin, Kenneth D. Birnbaum; New York University; USA.

单细胞转录组揭开木质部发育与演化的“谜底”

Cenome Biology [IF：17.906]

① 通过单细胞和激光捕获显微切割（LCM）的转录组分析，首次确定了4种不同的木本植物的茎分化木质部中射线和纺锤形细胞的发育谱系，提供了对跨越一亿多年进化历史的多个植物物种的木质部细胞系形成的进化-生物框架的全面理解。

②采用scRNA-seq对来自毛果杨 (Populus trichocarpa)7个生物重复的25,166个单独的stem-differentiating xylem（SDX）细胞进行分析，并结合LCM与lcmRNA-seq，绘制了毛果杨SDX的详细细胞谱系，揭示了木质部纺锤形和射线细胞的两种不同的分化轨迹。

③对玫瑰桉 (Eucalyptus grandis)、昆栏树 (Trochodendron aralioides)和鹅掌楸 (Liriodendron chinense)3个木本物种的SDX细胞进行scRNA-seq，并与毛果杨的scRNA-seq数据进行跨物种配对相关分析，揭示了被子植物中高度保守的射线但可变的纺锤形谱系。

④ 整合scRNA-seq数据，发现所有4种木本植物在其SDX中都有几乎相同的射线细胞系，3种裸子植物有类似的纺锤形细胞系，而鹅掌楸有一个独特的纺锤形细胞系，具有纺锤形组织细胞和不同于裸子植物的韧性纤维。

⑤ 在无导管细胞的种子植物中缺乏SND2基因或其在SDX中的表达。（寒鹤）

毛果杨纤维细胞、血管细胞和射线薄壁细胞的lcmRNA-seq和SDX原生质体的scRNA-seq分析示意图

Single-cell transcriptomics unveils xylem cell development and evolution.

2023.01.09, DOI: 10.1186/s13059-022-02845-1

研究文章；木本植物，毛果杨，玫瑰桉，昆栏树，鹅掌楸，木质部，细胞谱系，细胞发育，跨物种比较分析，纤维切割，scRNA-seq，LCM，lcmRNA-seq；Chia-Chun Tung，Shang-Che Kuo，Chia-Ling Yang，Jhong-He Yu，Chuan Ku，Ying-Chung Jimmy Lin；台湾大学；中国

时空转录组揭示芸苔属植物胚和种皮发育的演化

The New Phytologist [IF：10.323]

① 从6种芸苔属植物中获得15个样本，包括受精前阶段（未受精的胚珠）和2个种子亚室的7个发育阶段，通过RNA-seq分析获得了芸苔属植物跨物种种子发育的时空转录组数据（https://bar. utoronto.ca），阐明了种子性状的遗传基础和对种子生产施加的选择压力，为这些有价值作物驯化过程中基因和亚基因组水平上的进化差异和表达偏差提供了新的见解。

② 分析种子发育过程中不同阶段、组织和亚基因组的转录组关系，发现亚基因组A与C之间的距离短于A与B或B与C，组织类型和发育阶段的转录组差异大于亚基因组和物种。

③ 比较了三个四倍体物种的同源基因差异表达，发现倚偏和显性表达的基因在种皮中比在胚中更多；GO分析发现胚和种皮差异表达基因分别富集于细胞形态发生和单维细胞生长、苯丙素代谢和生物合成过程。

④ 共表达分析6种芸苔属植物种子发育过程中胚和种皮转录组，发现胚和种皮的表达模式相似性较高；分析关键基因的表达动态，发现种子受精卵和受精后立即发生基因表达重编程，支持了生长素和细胞分裂素在芸苔属种子发育早期阶段中的核心作用。

⑤ 通过比较种子发育过程中胚和种皮中调控网络和代谢通路的基因表达，发现6种芸苔属植物在贮藏储存积累和脂肪酸代谢方面存在差异；评估6种芸苔属植物的转录组年龄指数和差异指数，推测了芸苔属植物种子发育演化的“沙漏形”模式。（Yuki）

甘蓝型油菜的胚胎和种皮发育过程

Evolutionary divergence in embryo and seed coat development of U's Triangle Brassica species illustrated by a spatiotemporal transcriptome atlas.

2021.10.23, DOI: 10.1111/nph.17759

研究文章；芸苔属植物，油籽，多倍体，“禹氏三角”，胚胎，种皮，发育,演化，时空转录组；Peng Gao, Teagen D. Quilichini, Raju Datla, Daoquan Xiang; University of Saskatchewan, National Research Council Canada; Canada.

题图 | 彭卫

排版 | 小飞鱼

审核 | 沙金

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