北京時間2024年4月23日晚，我國科學家團隊在國際學術期刊Cell發表題為“3D Reconstruction of a Gastrulating Human Embryo”（人類原腸胚的三維重建）的研究論文。
該工作構建了完整胚胎中不同細胞類型與基因表達的三維空間分布點云圖，進而數字3D重構了首個完整人類原腸胚模型。
中國科學院動物研究所和北京干細胞與再生醫學研究院的于樂謙研究員、郭靖濤研究員、中國農業大學魏育蕾教授及中國科學院動物研究所王曉琰博士為本文通訊作者。
出于生命倫理的考慮，人類胚胎的體外培養被限制在14天內（即“14天規則”），而人類原腸運動發生在受精后14至21天之間，因此被認為是人類發育的“黑匣子”。若能借助技術手段，了解自然情況下胚胎原腸運動發育景觀，對理解早期胚胎發育異常導致的流產和胎兒疾病的發病機制有深遠的臨床意義，并能為體外類胚胎模型的構建提供藍圖。
圖一：3D重構人類CS8時期早期胚胎。A：CS8胚胎結構與空間轉錄組測序過程；B：3D重構點云圖與模式圖（課題組供圖，下同）
在本工作中，研究人員借助3D重構胚胎，填補了原腸胚階段人類胚胎各胚層發育知識空白。研究者發現中胚層很有可能在尚未遷出原條時就已經發生了細胞命運決定，分化為了軸向中胚層、近軸中胚層、中間中胚層和側板中胚層等譜系，并依據決定好的命運遷移到相應位置上。
圖二：中胚層譜系在CS8胚胎中的發生。A：中胚層相關譜系在CS8胚胎中的3D重構；B：中胚層譜系的UMAP分群；C：中胚層譜系在DV-LR面上的分布示意圖
此外， 3D重構的空間位置信息使得研究者們可以去探索原腸運動過程中另外一個重要的事件，即體軸形成。哺乳動物的軀體有三條體軸：頭—尾軸，背—腹軸，以及左—右軸，各種組織器官沿其依序排列。已知在脊椎動物胚胎發育過程中，主要依賴于一類被稱為組織中心（Organizer）的細胞作用，令軀體三條體軸逐漸建立。本研究中關注了7條發育過程中的重要細胞信號通路，并整合空間分布信息，分析了在軸向建立的過程中信號配受體等的表達情況，發現在該時期人類胚胎尾部很可能存在一個和中部脊索類似的組織中心。這也為窺探人類極早期胚胎發育打開了一扇全新的大門。
為了便于更多讀者理解和使用研究結果，論文作者們還同時建立并發布了可互動共享網站：cs8.3dembryo.com。
圖三：A-P軸上各通路的信號變化和可能信號源的表征。A-E：通路配體、受體、抑制劑在A-P軸上的分布特征；F：部分配受體和抑制劑在胚胎空間上的分布；G：PGC在connecting stalk處的分布；H：notochord/connecting stalk及其信號在胚胎中的分布示意圖
本研究獲得了科技部重點研發項目的經費支持。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.03.041
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