Spatiotemporal modeling of molecular holograms

生物 计算生物学 全息术 进化生物学 光学 物理
作者
Xiaojie Qiu,Daniel Y. Zhu,Yifan Lu,Jiajun Yao,Zehua Jing,Kyung Hoi Min,Mengnan Cheng,Hailin Pan,Lulu Zuo,S. B. King,Qi Fang,Huiwen Zheng,Mingyue Wang,Shuai Wang,Qingquan Zhang,Siyang Yu,Sha Liao,Chao Liu,Xinchao Wu,Yiwei Lai
出处
期刊:Cell [Cell Press]
卷期号:187 (26): 7351-7373.e61 被引量:84
标识
DOI:10.1016/j.cell.2024.10.011
摘要

Quantifying spatiotemporal dynamics during embryogenesis is crucial for understanding congenital diseases. We developed Spateo (https://github.com/aristoteleo/spateo-release), a 3D spatiotemporal modeling framework, and applied it to a 3D mouse embryogenesis atlas at E9.5 and E11.5, capturing eight million cells. Spateo enables scalable, partial, non-rigid alignment, multi-slice refinement, and mesh correction to create molecular holograms of whole embryos. It introduces digitization methods to uncover multi-level biology from subcellular to whole organ, identifying expression gradients along orthogonal axes of emergent 3D structures, e.g., secondary organizers such as midbrain-hindbrain boundary (MHB). Spateo further jointly models intercellular and intracellular interaction to dissect signaling landscapes in 3D structures, including the zona limitans intrathalamica (ZLI). Lastly, Spateo introduces "morphometric vector fields" of cell migration and integrates spatial differential geometry to unveil molecular programs underlying asymmetrical murine heart organogenesis and others, bridging macroscopic changes with molecular dynamics. Thus, Spateo enables the study of organ ecology at a molecular level in 3D space over time.
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