科學家3D重構人類原腸期胚胎?揭示人類胚胎尾端信號源調控原腸運動

　　原腸運動是指大部分動物胚胎發育均會經歷的一個階段。中國科學院動物研究所、北京干細胞與再生醫學研究院以及中國農業大學的研究人員，首次用數字3D重構了首個完整人類原腸胚模型。4月23日，相關研究成果以3D Reconstruction of a Gastrulating Human Embryo為題，發表在《細胞》（Cell）上。

　　20世紀早期，科學家將人類胚胎發育的前八周劃分為23個卡內基分期（CS1-CS23）。原腸運動主要發生于CS7-CS8階段。在這一階段，只有一層細胞的囊胚會發生重組，形成一個含有三個胚層（即外胚層、中胚層和內胚層）的結構，而新形成的三個胚層細胞會組合并協調發育為各種器官。每一個胚層的細胞都能發育為特定的器官和組織。

　　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，被認為是人類發育的“黑匣子”。盡管基于多能干細胞體外構建的類胚胎結構能夠在一定程度上幫助科學家認識這一過程，但受到技術的限制，目前類胚胎尚不能完全真實地反映胚胎發育軌跡。因此，研究自然情況下胚胎原腸運動發育景觀，對探討早期胚胎發育異常導致的流產和胎兒疾病的發病機制具有重要的臨床意義，并有望為構建體外類胚胎模型提供藍圖。

　　該研究基于一枚珍貴的CS8時期完整人類胚胎，利用連續橫斷面高分辨空間轉錄組切片，結合機器學習算法進行三維對齊，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重構了完整人類原腸胚模型。

　　研究發現，通過人類原腸胚的3D重構，可以精確地看到每一種細胞在胚胎中的相對分布位置。研究將空間位置信息與細胞類群信息、基因表達信息相結合，可以更加精確地定義不同的細胞類型，并分析其與周圍細胞的作用關系。以中胚層細胞的形成為例，目前中胚層的遷移過程尚不清楚。該研究借助3D重構胚胎并依據空間位置和特征基因進行分析發現，在原條位置上的各類中胚層亞群如軸向中胚層、近軸中胚層、中間中胚層、側板中胚層以及胚外中胚層前體細胞等，沿著頭端自尾端的方向排列。這表明中胚層可能在尚未遷出原條時便已發生細胞命運決定，并依據決定好的命運遷移到相應位置上。這填補了原腸胚階段人類胚胎各細胞譜系發育知識空白。

　　進一步，3D重構的空間位置信息使得科學家可以探究原腸運動過程的另一個重要事件，也就是體軸形成。哺乳動物的軀體有三條體軸即頭-尾軸、背-腹軸以及左-右軸，同時，各種組織器官沿其依序排列。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的細胞作用，令軀體三條體軸逐漸建立。該研究關注了七條發育過程中的重要細胞信號通路，整合了空間分布信息，分析了在軸向建立的過程中信號配受體等的表達情況。研究發現，在這一時期，人類胚胎尾部可能存在一個和中部脊索類似的組織中心，為窺探人類極早期胚胎發育打開了全新的大門。

　　此外，為了便于讀者理解和使用，該團隊建立并發布了互動共享網站（http://www.cs8.3dembryo.com）。

　　研究工作得到國家重點研發計劃的支持。