發(fā)育生物學的先驅之一，劉易斯·沃伯特（Lewis Wolpert）曾這樣說：“出生、結婚、死亡都不是你一生中最重要的時刻，原腸運動才是”。原腸運動（gastrulation）是指大部分動物胚胎發(fā)育中都會經(jīng)歷的一個階段。在本階段中，只有一層細胞的囊胚會發(fā)生重組，形成一個含有三個胚層（即外胚層ectoderm、中胚層mesoderm、內胚層endoderm）的結構，而新形成的三個胚層細胞會組合并協(xié)調發(fā)育為各種器官。每一個胚層的細胞都能發(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（即“14天規(guī)則”），而人類原腸運動發(fā)生在受精后14至21天之間，因此被認為是人類發(fā)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在一定程度上幫助我們認識這個過程，然而受限于技術限制，目前類胚胎并不能完全真實地反映胚胎發(fā)育軌跡。因此了解自然情況下胚胎原腸運動發(fā)育景觀對理解早期胚胎發(fā)育異常導致的流產(chǎn)和胎兒疾病的發(fā)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。
為了精準地描述不同發(fā)育時期人類胚胎特征，上世紀早期來自美國卡耐基研究所的科學家們將人類胚胎發(fā)育的前八周劃分為23個卡內基分期，即Carnegie stage（CS1-CS23）。原腸運動主要發(fā)生于CS7-CS8階段。本研究基于一枚珍貴的CS8時期完整人類胚胎，利用連續(xù)橫斷面（transverse plane）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(shù)字3D重構了首個完整人類原腸胚模型（圖一）。
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天時種植到母體子宮進一步發(fā)育。第14天開始，胚胎經(jīng)歷原腸運動，胚胎后部細胞發(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，可以讓我們精確地看到每一種細胞在胚胎中的相對分布位置。將空間位置信息與細胞類群信息、基因表達信息相結合，讓我們能夠更加精確地定義不同的細胞類型，并且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。在本工作中，借助3D重構胚胎，依據(jù)空間位置和特征基因進行分析，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）、側板中胚層（Lateral Plate Mesoderm）、以及胚外中胚層前體細胞（Extraembryonic Mesoderm progenitor）等，沿著頭端自尾端（A-P軸）的方向順利排列（圖二）。這表明中胚層很有可能在尚未遷出原條時就已經(jīng)發(fā)生了細胞命運決定，并依據(jù)決定好的命運遷移到相應位置上。該工作填補了原腸胚階段人類胚胎各細胞譜系發(fā)育知識空白。
更重要的是，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（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）的細胞作用，令軀體三條體軸逐漸建立。本研究中關注了七條發(fā)育過程中的重要細胞信號通路（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配受體等的表達情況，發(fā)現(xiàn)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（圖三），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果，論文作者們還同時建立并發(fā)布了可互動共享網(wǎng)站：cs8.3dembryo.com.
該工作于2024年4月23日，在國際學術期刊Cell以題為《3D Reconstruction of a Gastrulating Human Embryo》正式發(fā)表。中國科學院動物研究所和北京干細胞與再生醫(yī)學研究院的于樂謙研究員、郭靖濤研究員、中國農業(yè)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，中國科學院動物研究所和北京干細胞與再生醫(yī)學研究院的王紅梅研究員為資深作者。該研究得到了中國科學院周琪院士的支持和指導。該研究獲得了科技部重點研發(fā)項目的經(jīng)費支持。
文章鏈接： https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.03.041
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。
圖二：中胚層譜系在CS8胚胎中的發(fā)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
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
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