北理工團隊首次構(gòu)建高分辨率人類三維數(shù)字原腸胚并在cell發(fā)表
發(fā)布日期：2024-04-25 供稿：生命學(xué)院 攝影：生命學(xué)院
編輯：肖雯 審核：周連景 閱讀次數(shù)：
4月23日，北京理工大學(xué)生命學(xué)院肖振宇副教授、中國科學(xué)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(xué)術(shù)期刊Cell發(fā)表文章《3D Reconstruction of a Gastrulating Human Embryo》，基于芯片技術(shù)和三維動畫重構(gòu)技術(shù)首次重構(gòu)高分辨率人類三維數(shù)字原腸胚，填補原腸胚階段人類胚胎發(fā)育知識空白，為理解人類早期胚胎發(fā)育及相關(guān)疾病提供重要資料，為改善不良妊娠結(jié)局奠定科學(xué)基礎(chǔ)。
原腸胚形成是細(xì)胞遷移、轉(zhuǎn)變形成復(fù)雜精妙的三維結(jié)構(gòu)的過程。原腸胚形成奠定了成體中所有系統(tǒng)和器官不同細(xì)胞譜系及其功能基礎(chǔ)。然而，當(dāng)前研究多依賴模式動物和基于干細(xì)胞的胚胎模型研究，在我國科學(xué)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(xué)難題正逐漸被系統(tǒng)解析，為研究人類原腸胚發(fā)育階段關(guān)鍵科學(xué)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(guān)組學(xué)研究由于缺乏空間定位信息，難以精確界定細(xì)胞亞型和完整空間定位。因此，系統(tǒng)性揭示人類原腸胚形成過程中的基本細(xì)胞、分子特征以及空間位置是一項艱巨而獨特的挑戰(zhàn)，亟待科學(xué)家深入探索與攻克。
在本工作中，借助3D重構(gòu)胚胎，研究者發(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。同時發(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，為窺探人類極早期胚胎發(fā)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(xù)切片，進行了Stereo-seq高分辨率的空間轉(zhuǎn)錄組研究。三維重構(gòu)了人類CS8胚胎的3D模型，并鑒定了關(guān)鍵位置的一系列細(xì)胞亞型。整體性地描繪了胚胎形態(tài)、細(xì)胞類群、空間位置和轉(zhuǎn)錄組特征，闡述了原腸胚形成過程中細(xì)胞發(fā)育過程、譜系軌跡變化和一系列調(diào)控活動。開創(chuàng)性地發(fā)現(xiàn)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(fā)育提供了重要窗口。
在本研究中，通過構(gòu)建完整的人類原腸胚3D模型，將單個細(xì)胞的空間信息與其基因表達相結(jié)合，系統(tǒng)描繪了胚胎形態(tài)、細(xì)胞類群、空間位置和轉(zhuǎn)錄組特征，準(zhǔn)確注釋了不同的細(xì)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(xì)胞發(fā)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(guān)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(guān)鍵細(xì)胞和分子特征，還可以指導(dǎo)今后基于干細(xì)胞的人類胚胎模型的生成。
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