引言
由于缺乏来自自然胚胎的参考数据集，特别是那些具有原肠胚形成等关键阶段空间信息的数据集，阻碍了对早期人类发育的理解。2024年4月23日，中国科学院动物研究所和北京干细胞与再生医学研究院的于乐谦研究员、郭靖涛研究员、中国农业大学魏育蕾教授及中国科学院动物研究所王晓琰博士共同通讯在Cell 在线发表题为“3D reconstruction of a gastrulating human embryo”的研究论文，该研究对一个完整的Carnegie期(CS) 8人类胚胎的62个横切面上的38,562个点进行了高分辨率的空间转录组学分析。从这个空间转录组数据集，该研究构建了CS8胚胎的3D模型，其中基于基因表达模式和位置信息，沿胚胎的前后轴、内外侧轴和背腹轴鉴定了一系列细胞亚型。该研究进一步描述了胚胎和胚胎外组织的谱系轨迹，以及相关的调控和信号中心的区域化，以及在原肠胚形成过程中支持谱系进展和组织模式的信号活动。该研究的发现为人类胚胎的原肠胚形成和后原肠胚发育提供了见解。
原肠胚形成是由囊胚内的双层胚胎盘转变成一个复杂的多维结构，即原肠胚。这个复杂的事件为不同的细胞谱系和空间模式奠定了基础。人原肠胚形成发生在受精后的胚胎第14天至第21天(E14-21)，对应于Carnegie期(CS) 7至9。在此期间，外胚层(Epi)被分配到初级胚层和胚外组织的前体和衍生物。除了确定细胞谱系外，建立体轴对于协调迁移、定位和分化细胞的模式至关重要。脊索等动态信号中枢调节身体轴线的建立，引导细胞向指定的目的地发育。这种协调的中断可导致严重的先天性异常。然而，人类胚胎发生的研究面临着独特的挑战，因为子宫内早期人类胚胎材料的稀缺性限制了直接研究。因此，研究人员对人类原肠胚的理解在很大程度上依赖于来自其他来源的数据。动物，如老鼠，是获取有关原肠形成知识的主要来源。特别是，单细胞RNA测序(scRNA-seq)的应用为每个谱系的发育基因表达和发育路径提供了越来越详细的视图。然而，灵长类动物胚胎发生在解剖结构、发育时间和谱系命运决定等方面的独特性，导致仅依靠研究模式动物来理解灵长类动物胚胎存在困难。近年来发展起来的灵长类囊胚体外培养方法和基于多能干细胞的胚胎模型使研究人员能够在子宫外研究胚胎谱系的个体发生，并揭示了早期灵长类胚胎的几个发育里程碑。然而，由于相关文献的缺乏，这些干细胞衍生的胚胎模型是否能忠实地复制胚胎发育存在一定的困难。
模式图（Credit: Cell）
对于子宫内灵长类动物胚胎，最近对早期原肠胚发育的人类胚胎(CS7)和食蟹猴原肠胚发育胚胎的转录组学表征为灵长类动物原肠胚发育提供了重要的见解。尽管取得了这些进展，但这些数据集缺乏空间定位信息，这使得准确注释细胞亚型具有挑战性。在原肠胚形成过程中，细胞命运是如何在不同位置决定的，以及各种亚型细胞是如何沿着身体轴进行协调和发育的，这些问题仍然是碎片化的。近年来，在胚胎着床后的CS5至CS7阶段对狨猴胚胎进行了空间分析。本研究利用激光捕获显微解剖与Smart-seq2相结合，发现了重要的发育事件。该研究对一个完整的原肠胚CS8胚胎的62个切片进行了连续横切面，这使研究人员能够将所有切片的空间转录组从前侧面到后侧面结合起来，从而实现胚胎的完整3D重建。该数据集为研究人类原肠胚形成事件的基本细胞和分子特征提供了机会，并为开发先进的干细胞衍生的人类胚胎模型提供了宝贵的信息。
原文链接https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)00357-X#%20
责编|探索君
排版|探索君
文章来源|“iNature”
End