在哺乳动物胚胎发育过程中,心血管系统是第一个形成的功能性系统。血管内皮细胞（vascular endothelial cells,VECs）从中胚层前体细胞从头分化而来,并通过血管发生过程组装成一个原始血管网。在血管系统的建立过程中,需要血管内皮细胞通过血管出芽的方式从原有的血管中长出新的血管,同时未成熟的血管丛发生进一步的重构形成可识别的动静脉,从而构建一个组织化的血管网络。在小鼠胚胎中,最初形成的血管内皮细胞的动静脉特征似乎仍然不明确。最近的研究表明,动脉和静脉命运定向的血管内皮细胞最初可能存在于同一血管中,这突出了研究血管内皮细胞分子特征的重要性。动脉生成而非毛细血管动脉化已被证明是恢复受损组织有效循环的关键。遗憾的是,由于对动脉特化以及动脉血管的形成缺乏足够的了解,治疗性的血管生成在过去十年中没有取得显著进展。解析胚胎发育期间动脉血管内皮细胞特化的细胞和分子事件将有助于理解成体动脉生成。最近,单细胞转录组测序（single cell RNA sequencing,sc RNA-seq）被用于研究成体小鼠不同组织中内皮细胞异质性。此外,sc RNA-seq也被应用于研究小鼠胚胎的原肠发育和器官发生。然而,胚胎血管发育早期血管内皮细胞高精度的基因表达图谱仍然缺乏。了解逐步动静脉命运特化背后的细胞演进和分子进程对再生医学和新治疗策略的产生具有重要的意义。为了建立血管内皮细胞的单细胞转录组景观图谱,我们采用了STRT-seq和10×Genomics策略对人类和小鼠胚胎血管发生和血管生成关键时间窗口内的血管内皮细胞进行了sc RNA-seq,并对人类和小鼠胚胎血管内皮细胞进行了转录组整合分析。结果显示,血管内皮细胞主要由早期血管内皮细胞群体,主动脉血管内皮细胞群体,以及静脉和血管丛内皮细胞群体组成。为了探究通过转录组非偏颇识别的血管内皮细胞亚群的确切时空分布,我们构建了两个泛动脉血管内皮细胞报告小鼠品系(Unc5btd Tomato和Dll4td Tomato),并利用一组标记组合,进行了免疫荧光染色的原位认定以及进一步的单细胞转录组测序验证。结果显示,具有不同形态的主静脉和静脉丛血管内皮细胞群体表现出了相似的转录特征,而主动脉和动脉丛血管内皮细胞具有不同的转录组特征。因此,在早期小鼠胚胎发育过程中,血管床具有不对称的动静脉分子特征。我们证明了发育过程中人和小鼠主要血管内皮细胞类型的进化保守性,并展示了一组在不同的动脉和静脉血管内皮细胞群体中进化保守的基因。我们还意外的发现胚内具有相似形态的血管丛表现出了不同的动静脉分子特征,并通过计算预测揭示了从原始血管内皮细胞起始的两种不同的动脉特化路径。其中一条路径显示早期动脉血管内皮细胞经由逐渐成熟的动脉血管内皮细胞,最终特化成为了主动脉血管内皮细胞;而另一条路径则显示早期血管丛内皮细胞指向了静脉和静脉丛血管内皮细胞群体,并最终分化成了动脉丛血管内皮细胞。最后,为了对静脉血管丛血管内皮细胞动脉化这一过程进行验证,我们使用新构建的Nr2f2Crex ER小鼠模型进行可诱导的遗传谱系示踪分析,并利用Tie2-Dre;Nr2f2-Crex ER双重组酶介导的交叉遗传方法去特异性的标记静脉血管内皮细胞,通过使用组成型和传统的遗传谱系示踪方法,我们揭示了血管发育早期最广泛的静脉毛细血管动脉化的发育事件。综上所述,我们全面且细致的解析了胚胎发生过程中血管内皮细胞异质性和动静脉特化的谱系关系,并构建了一个关于胚内早期血管扩张行为的新模型。全面了解胚胎发生过程中胚胎体内血管内皮细胞的等级和内在的异质性,将为以后指导再生生物学的研究提供重要的线索。此外,理解早期血管生成阶段静脉毛细血管动脉化背后的细胞演化进程和分子程序,将为理解成体动脉生成提供新的线索,这会对多种重要疾病的诊断和治疗带来显著的影响。