首個完整人類原腸胚模型被3D重構(gòu)

　　原腸運動是大部分動物胚胎發(fā)育中的一個重要階段，是生命科學(xué)研究的熱點和焦點之一。中國科學(xué)院動物研究所和北京干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究院、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員，首次用數(shù)字3D重構(gòu)了首個完整人類原腸胚模型，極大地推進(jìn)了人類對于生命初始如何發(fā)育的認(rèn)知。這一成果于4月23日在國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》發(fā)表。

　　生命科學(xué)中，人類胚胎發(fā)育的前八周被劃分為23個卡內(nèi)基分期(CS1-CS23)，原腸運動主要發(fā)生在CS7-CS8階段，也就是受精后的14至21天之間。在這個階段，只有一層細(xì)胞的囊胚會發(fā)生重組，形成一個含有三個胚層(即外胚層、中胚層和內(nèi)胚層)的結(jié)構(gòu)，而新形成的三個胚層細(xì)胞會組合并協(xié)調(diào)發(fā)育為各種器官。每一個胚層的細(xì)胞都能發(fā)育為特定的器官和組織。

　　但按照生命科學(xué)研究的倫理規(guī)范，人類胚胎的體外培養(yǎng)被限制在14天內(nèi)。因此，盡管人們采取了多能干細(xì)胞體外構(gòu)建類胚胎等方法來研究原腸運動，卻始終沒有辦法準(zhǔn)備了解其過程，原腸運動也被認(rèn)為是人類發(fā)育的“黑匣子”。

　　成果的主要完成人、中國科學(xué)院動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說：“基于一枚CS8時期完整人類胚胎，我們利用連續(xù)橫斷面高分辨空間轉(zhuǎn)錄組切片，結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行三維對齊，構(gòu)建了完整胚胎中不同細(xì)胞類型與基因表達(dá)的三維空間分布點云圖，進(jìn)而數(shù)字3D重構(gòu)了首個完整人類原腸胚模型。”

　　這讓研究者們精確地看到每一種細(xì)胞在胚胎中的相對分布位置。“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。但現(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)，中胚層很有可能在尚未遷出原條時就已經(jīng)發(fā)生了細(xì)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(cè)板中胚層等譜系，并依據(jù)決定好的命運遷移到相應(yīng)位置上。”文章主要完成人之一、中國科學(xué)院動物研究所和北京干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究院郭靖濤研究員說，“可以說，這項工作填補了原腸胚階段人類胚胎各細(xì)胞譜系發(fā)育知識空白。”

　　此外，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。脊椎動物在胚胎發(fā)育過程中，主要依賴于一類被稱為組織中心的細(xì)胞作用，令軀體三條體軸逐漸建立。“我們在研究中，關(guān)注了7條發(fā)育過程中的重要細(xì)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(dá)情況。我們發(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。”于樂謙說，“這為窺探人類極早期胚胎發(fā)育打開了一扇全新的大門。”

（責(zé)任編輯：華康）