Spatiotemporal architecture of mouse embryogenesis at single-cell resolution
Sampath Kumar, Abhishek
The development of a single-cell zygote into a multi cellular organism with a plethora of cell and tissue types necessitates the precise spatiotemporal coordination of numerous mechanisms in the developing embryo, including the regulation of gene expression, morphogenesis, and tissue patterning. The future body plan is formed during the gastrulation and early organogenesis stages when cells commit to their fates and organize into discrete anatomical units. Although the molecular functions of several key developmental factors are well understood, their exact role in determining these fates remain unclear. High throughput single-cell technologies have paved the way for comprehending the topography of cell states that emerge across developmental time and deciphering molecular mechanisms underlying these transitions. Here, we employ single-cell technologies to chart the emerging cell states and map their precise spatial locations within the developing mouse embryo during gastrulation and early organogenesis.
Using this spatiotemporal atlas, we uncover embryo and tissue-wide gene expression patterns that govern body plan formation and the architecture of rudimentary organs. We identify and characterize continuous gene expression changes influencing tissue patterning along developmental axes. We define the earliest gene expression patterns in the developing brain, stratifying substructures and molecular boundaries prior to the formation of morphological units during development. We uncover and define discrete and distinct gene expression patterns along the dorsoventral axis prior to neuronal sub type specification in the spinal cord.
Finally, we establish and employ a zygotic perturbation platform to evaluate the importance and role of developmental regulators. Using single-cell profiling of mutant phenotype, we in- vestigate the fundamental principles governing cell fate specification, morphogenesis, and tissue patterning. Taken together, we generate a high-resolution atlas of gastrulation and early organo- genesis and perform a comprehensive dissection of the spatiotemporal architecture of complex embryonic structures using high-throughput single-cell technologies, paving the way for the in- vestigation of congenital and developmental disorders.
Die Entwicklung einer einzelligen Zygote zu einem mehrzelligen Organismus mit einer Vielzahl von Zell- und Gewebetypen erfordert eine präzise räumlich-zeitliche Koordination zahlreicher Mechanismen im sich entwickelnden Embryo, einschließlich der Regulierung der Genexpression, der Morphogenese und der Gewebemusterung. Der künftige Körperplan wird während der Gastrulation und der frühen Organogenese gebildet, wenn sich die Zellen auf ihre Bestimmung festlegen und sich zu diskreten anatomischen Einheiten organisieren. Obwohl die molekularen Funktionen mehrerer wichtiger Entwicklungsfaktoren gut verstanden sind, ist ihre genaue Rolle bei der Festlegung dieser Bestimmung noch unklar. Einzelzelltechnologien mit hohem Durchsatz haben den Weg geebnet, um die Topographie der Zelltypen zu verstehen, die sich im Laufe der Entwicklungszeit herausbilden, und um die molekularen Mechanismen zu entschlüsseln, die diesen Übergängen zugrunde liegen. Hier setzen wir Einzelzelltechnologien ein, um die entstehenden Zelltypen zu kartieren und ihre genauen räumlichen Positionen innerhalb des sich entwickelnden Mausembryos während der Gastrulation und frühen Organogenese zu bestimmen.
Mithilfe dieses räumlich-zeitlichen Atlasses decken wir embryo- und gewebeübergreifende Genexpressionsmuster auf, die die Bildung des Körperplans und die Architektur rudimentärer Organe bestimmen. Wir identifizieren und charakterisieren fortlaufende Veränderungen der Genexpression, die die Gewebemusterung entlang der Entwicklungsachsen beeinflussen. Wir definieren die frühesten Genexpressionsmuster im sich entwickelnden Gehirn, die Substrukturen und molekulare Grenzen noch vor der Bildung morphologischer Einheiten während der Entwicklung aufziehen. Wir entdecken und definieren diskrete und unterschiedliche Genexpressionsmuster entlang der dorsoventralen Achse vor der Spezifikation neuronaler Subtypen im Rückenmark.
Zuletzt etablieren und nutzen wir eine Plattform, um Genstörungen in der Zygote herbeizuführen, um die Bedeutung und Rolle von Entwicklungsregulatoren zu untersuchen. Mithilfe der Erstellung von Einzelzellprofilen der mutierten Phänotypen untersuchen wir die grundlegenden Prinzipien der Zelltypspezifikation, Morphogenese und Gewebemusterung. Insgesamt er- stellen wir einen hochauflösenden Atlas der Gastrulation und der frühen Organogenese und führen eine umfassende Untersuchung der räumlich-zeitlichen Architektur komplexer embryonaler Strukturen mit Hilfe von Hochdurchsatz-Einzelzelltechnologien durch, und ebnen so den Weg für die Untersuchung angeborener und entwicklungsbedingter Störungen.
