北理工團隊首次構建高分辨率人類三維數字原腸胚并在cell發表
發布日期：2024-04-25 供稿：生命學院 攝影：生命學院
編輯：肖雯 審核：周連景 閱讀次數：
4月23日，北京理工大學生命學院肖振宇副教授、中國科學院動物研究所王紅梅研究員、于樂謙研究員、郭靖濤研究員等在國際學術期刊Cell發表文章《3D Reconstruction of a Gastrulating Human Embryo》，基于芯片技術和三維動畫重構技術首次重構高分辨率人類三維數字原腸胚，填補原腸胚階段人類胚胎發育知識空白，為理解人類早期胚胎發育及相關疾病提供重要資料，為改善不良妊娠結局奠定科學基礎。
原腸胚形成是細胞遷移、轉變形成復雜精妙的三維結構的過程。原腸胚形成奠定了成體中所有系統和器官不同細胞譜系及其功能基礎。然而，當前研究多依賴模式動物和基于干細胞的胚胎模型研究，在我國科學家季維智院士團隊、王紅梅研究員團隊以及彭廣敦研究員團隊還有多家國外研究團隊共同努力下，猴原腸胚階段重要科學難題正逐漸被系統解析，為研究人類原腸胚發育階段關鍵科學事件提供重要參考。然而，若想了解人類原腸胚形成機制，需回歸人胚胎本身。同時已有人類原腸胚相關組學研究由于缺乏空間定位信息，難以精確界定細胞亞型和完整空間定位。因此，系統性揭示人類原腸胚形成過程中的基本細胞、分子特征以及空間位置是一項艱巨而獨特的挑戰，亟待科學家深入探索與攻克。
在本工作中，借助3D重構胚胎，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。同時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，為窺探人類極早期胚胎發育打開了一扇全新的大門。
文章對CS8人類胚胎進行62張的連續切片，進行了Stereo-seq高分辨率的空間轉錄組研究。三維重構了人類CS8胚胎的3D模型，并鑒定了關鍵位置的一系列細胞亞型。整體性地描繪了胚胎形態、細胞類群、空間位置和轉錄組特征，闡述了原腸胚形成過程中細胞發育過程、譜系軌跡變化和一系列調控活動。開創性地發現了CS8時期的人類胚胎尾部很可能存在一個和中部脊索類似的信號源，為窺探人類極早期胚胎發育提供了重要窗口。
在本研究中，通過構建完整的人類原腸胚3D模型，將單個細胞的空間信息與其基因表達相結合，系統描繪了胚胎形態、細胞類群、空間位置和轉錄組特征，準確注釋了不同的細胞亞型，證明了中胚層不同亞型先特化后遷移的假說、深度解析了重要胚外組織羊膜細胞發育過程和卵黃囊造血譜系特化，同時針對原腸胚前-后、背-腹、左-右體軸關鍵信號通路進行解析，提出胚胎尾部可能存在新的信號源和“組織者（organizer）”的觀點。這項研究不僅可以確定人類原腸胚形成過程的關鍵細胞和分子特征，還可以指導今后基于干細胞的人類胚胎模型的生成。
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