編輯丨王多魚
排版丨水成文
發(fā)育生物學(xué)的先驅(qū)之一，劉易斯·沃伯特（Lewis Wolpert）曾這樣說：出生、結(jié)婚、死亡都不是你一生中最重要的時(shí)刻，原腸運(yùn)動(dòng)才是。原腸運(yùn)動(dòng)（gastrulation）是指大部分動(dòng)物胚胎發(fā)育中都會(huì)經(jīng)歷的一個(gè)階段。在本階段中，只有一層細(xì)胞的囊胚會(huì)發(fā)生重組，形成一個(gè)含有三個(gè)胚層（即外胚層ectoderm、中胚層mesoderm、內(nèi)胚層endoderm）的結(jié)構(gòu)，而新形成的三個(gè)胚層細(xì)胞會(huì)組合并協(xié)調(diào)發(fā)育為各種器官。每一個(gè)胚層的細(xì)胞都能發(fā)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(yǎng)被限制在14天內(nèi)（即“14天規(guī)則”），而人類原腸運(yùn)動(dòng)發(fā)生在受精后14-21天之間，因此被認(rèn)為是人類發(fā)育的“黑匣子”。盡管基于多能干細(xì)胞體外構(gòu)建的類胚胎結(jié)構(gòu)能在一定程度上幫助我們認(rèn)識(shí)這個(gè)過程，然而受限于技術(shù)限制，目前類胚胎并不能完全真實(shí)地反映胚胎發(fā)育軌跡。因此了解自然情況下胚胎原腸運(yùn)動(dòng)發(fā)育景觀對(duì)理解早期胚胎發(fā)育異常導(dǎo)致的流產(chǎn)和胎兒疾病的發(fā)病機(jī)制有深遠(yuǎn)的臨床意義，并能為體外類胚胎模型的構(gòu)建提供藍(lán)圖。
為了精準(zhǔn)地描述不同發(fā)育時(shí)期人類胚胎特征，上世紀(jì)早期來自美國卡耐基研究所的科學(xué)家們將人類胚胎發(fā)育的前八周劃分為23個(gè)卡內(nèi)基分期，即Carnegie stage（CS1-CS23）。原腸運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生于CS7-CS8階段。
2024年4月23日，中國科學(xué)院動(dòng)物研究所和北京干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究院于樂謙研究員、郭靖濤研究員、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)魏育蕾教授及中國科學(xué)院動(dòng)物研究所王曉琰博士合作，在Cell期刊發(fā)表了題為：3D Reconstruction of a Gastrulating Human Embryo 的研究論文。該論文入選了Cell日前發(fā)布的“Best of Cell 2024”榜單，該榜單展示了 2023 年底到 2024 年底這一年里在Cell期刊發(fā)表的最令人興奮的論文，共 12 篇。
該研究基于一枚珍貴的CS8時(shí)期完整人類胚胎，利用連續(xù)橫斷面高分辨空間轉(zhuǎn)錄組切片，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行三維對(duì)齊，構(gòu)建了完整胚胎中不同細(xì)胞類型與基因表達(dá)的三維空間分布點(diǎn)云圖，進(jìn)而數(shù)字3D重構(gòu)了首個(gè)完整人類原腸胚模型（圖1）。
圖1：3D重構(gòu)人類CS8時(shí)期早期胚胎，CS8胚胎結(jié)構(gòu)與空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序過程（上），3D重構(gòu)點(diǎn)云圖與模式圖（下）
人的生命始于精子與卵子融合形成受精卵，受精卵經(jīng)歷卵裂形成囊胚，囊胚在6-7天時(shí)種植到母體子宮進(jìn)一步發(fā)育。第14天開始，胚胎經(jīng)歷原腸運(yùn)動(dòng)，胚胎后部細(xì)胞發(fā)生大規(guī)模定向遷移，并形成原條（Primitive Streak）。通過人類原腸胚的3D重構(gòu)，可以讓我們精確地看到每一種細(xì)胞在胚胎中的相對(duì)分布位置。將空間位置信息與細(xì)胞類群信息、基因表達(dá)信息相結(jié)合，讓我們能夠更加精確地定義不同的細(xì)胞類型，并且分析其與周圍細(xì)胞的作用關(guān)系。以中胚層細(xì)胞的形成為例，目前中胚層的遷移過程尚不清楚。
在這項(xiàng)研究中，借助3D重構(gòu)胚胎，依據(jù)空間位置和特征基因進(jìn)行分析，研究者發(fā)現(xiàn)在原條位置上，各類中胚層亞群，包括軸向中胚層（Axial Mesoderm）、近軸中胚層（Paraxial Mesoderm）、中間中胚層（Intermediate Mesoderm）、側(cè)板中胚層（Lateral Plate Mesoderm）、以及胚外中胚層前體細(xì)胞（Extraembryonic Mesoderm progenitor）等，沿著頭端自尾端（A-P軸）的方向順利排列。這表明中胚層很有可能在尚未遷出原條時(shí)就已經(jīng)發(fā)生了細(xì)胞命運(yùn)決定，并依據(jù)決定好的命運(yùn)遷移到相應(yīng)位置上。該工作填補(bǔ)了原腸胚階段人類胚胎各細(xì)胞譜系發(fā)育知識(shí)空白。
更重要的是，3D重構(gòu)的空間位置信息使得研究者們可以去探索原腸運(yùn)動(dòng)過程中另外一個(gè)重要的事件，即體軸形成。哺乳動(dòng)物的軀體有三條體軸：頭-尾軸（A-P），背-腹軸（D-V），以及左-右軸（L-R），各種組織器官沿其依序排列。我們已知在脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育過程中，主要依賴于一類被稱為組織中心（Organizer）的細(xì)胞作用，令軀體三條體軸逐漸建立。
該研究中關(guān)注了七條發(fā)育過程中的重要細(xì)胞信號(hào)通路（FGF/WNT/TGF-β/SHH/NODAL/BMP/RA pathway），并整合空間分布信息，分析了在軸向建立的過程中信號(hào)配受體等的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)在該時(shí)期人類胚胎尾部很可能存在一個(gè)和中部脊索類似的組織中心，為窺探人類極早期胚胎發(fā)育打開了一扇全新的大門。
鑒于3D模型以論文圖片形式展示的挑戰(zhàn)，為了便于更多讀者理解和使用研究結(jié)果，論文作者們還同時(shí)建立并發(fā)布了可互動(dòng)共享網(wǎng)站：cs8.3dembryo.com
中國科學(xué)院動(dòng)物研究所和北京干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究院于樂謙研究員、郭靖濤研究員、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)魏育蕾教授及中國科學(xué)院動(dòng)物研究所王曉琰博士為該論文的通訊作者，中國科學(xué)院動(dòng)物研究所和北京干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究院的王紅梅研究員為資深作者。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)00357-X
熱門跟貼