引言
由于缺乏來自自然胚胎的參考資料集，特别是那些具有原腸胚形成等關鍵階段空間資訊的資料集，阻礙了對早期人類發育的了解。2024年4月23日，中國科學院動物研究所和北京幹細胞與再生醫學研究院的于樂謙研究員、郭靖濤研究員、中國農業大學魏育蕾教授及中國科學院動物研究所王曉琰博士共同通訊在Cell 線上發表題為“3D reconstruction of a gastrulating human embryo”的研究論文，該研究對一個完整的Carnegie期(CS) 8人類胚胎的62個橫切面上的38,562個點進行了高分辨率的空間轉錄組學分析。從這個空間轉錄組資料集，該研究建構了CS8胚胎的3D模型，其中基于基因表達模式和位置資訊，沿胚胎的前後軸、内外側軸和背腹軸鑒定了一系列細胞亞型。該研究進一步描述了胚胎和胚胎外組織的譜系軌迹，以及相關的調控和信号中心的區域化，以及在原腸胚形成過程中支援譜系進展群組織模式的信号活動。該研究的發現為人類胚胎的原腸胚形成和後原腸胚發育提供了見解。
原腸胚形成是由囊胚内的雙層胚胎盤轉變成一個複雜的多元結構，即原腸胚。這個複雜的事件為不同的細胞譜系和空間模式奠定了基礎。人原腸胚形成發生在受精後的胚胎第14天至第21天(E14-21)，對應于Carnegie期(CS) 7至9。在此期間，外胚層(Epi)被配置設定到初級胚層和胚外組織的前體和衍生物。除了确定細胞譜系外，建立體軸對于協調遷移、定位和分化細胞的模式至關重要。脊索等動态信号中樞調節身體軸線的建立，引導細胞向指定的目的地發育。這種協調的中斷可導緻嚴重的先天性異常。然而，人類胚胎發生的研究面臨着獨特的挑戰，因為子宮内早期人類胚胎材料的稀缺性限制了直接研究。是以，研究人員對人類原腸胚的了解在很大程度上依賴于來自其他來源的資料。動物，如老鼠，是擷取有關原腸形成知識的主要來源。特别是，單細胞RNA測序(scRNA-seq)的應用為每個譜系的發育基因表達和發育路徑提供了越來越詳細的視圖。然而，靈長類動物胚胎發生在解剖結構、發育時間和譜系命運決定等方面的獨特性，導緻僅依靠研究模式動物來了解靈長類動物胚胎存在困難。近年來發展起來的靈長類囊胚體外培養方法和基于多能幹細胞的胚胎模型使研究人員能夠在子宮外研究胚胎譜系的個體發生，并揭示了早期靈長類胚胎的幾個發育裡程碑。然而，由于相關文獻的缺乏，這些幹細胞衍生的胚胎模型是否能忠實地複制胚胎發育存在一定的困難。
模式圖（Credit: Cell）
對于子宮内靈長類動物胚胎，最近對早期原腸胚發育的人類胚胎(CS7)和食蟹猴原腸胚發育胚胎的轉錄組學表征為靈長類動物原腸胚發育提供了重要的見解。盡管取得了這些進展，但這些資料集缺乏空間定位資訊，這使得準确注釋細胞亞型具有挑戰性。在原腸胚形成過程中，細胞命運是如何在不同位置決定的，以及各種亞型細胞是如何沿着身體軸進行協調和發育的，這些問題仍然是碎片化的。近年來，在胚胎着床後的CS5至CS7階段對狨猴胚胎進行了空間分析。本研究利用雷射捕獲顯微解剖與Smart-seq2相結合，發現了重要的發育事件。該研究對一個完整的原腸胚CS8胚胎的62個切片進行了連續橫切面，這使研究人員能夠将所有切片的空間轉錄組從前側面到後側面結合起來，進而實作胚胎的完整3D重建。該資料集為研究人類原腸胚形成事件的基本細胞和分子特征提供了機會，并為開發先進的幹細胞衍生的人類胚胎模型提供了寶貴的資訊。
原文連結https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)00357-X#%20
責編|探索君
排版|探索君
文章來源|“iNature”
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