北理工團隊連續(xù)發(fā)表兩篇高水平文章

發(fā)布日期：2025-05-09 供稿：生命學院攝影：生命學院

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5月8日，北京理工大學生命學院肖振宇課題組聯(lián)合中國科學院動物研究所于樂謙研究員、郭靖濤研究員，中國農業(yè)大學魏育蕾教授團隊，在《Cell Stem Cell》雜志上發(fā)表最新研究成果，論文題為“3D reconstruction of a human Carnegie Stage 9 embryo provides a snapshot of early body plan formation”。

該研究延續(xù)了本團隊在人類早期胚胎發(fā)育研究中的系列重大突破（2024，Cell；2025, Nat Cell Biology ），在系統(tǒng)解析人類CS7時期胚胎（原腸運動起始期）及CS8時期胚胎（原腸運動結束期）的前—后體軸建立的關鍵信號源與分子機制，并證實人類胚胎尾部存在信號中心的基礎上，本次工作首次實現(xiàn)了對CS9時期人類胚胎的三維數(shù)字重建，全面揭示了原腸運動尾聲與器官發(fā)生序章交匯時期的胚胎結構與發(fā)育藍圖，呈現(xiàn)出人類器官建立初期的整體發(fā)育圖景。

北京理工大學博士研究生楊景宇、謝鑫煒為論文的共同第一作者，肖振宇教授為共同通訊作者，北京理工大學為主要合作單位之一。

系列突破：逐步揭示人類胚胎發(fā)育“設計藍圖”

從原腸運動到器官發(fā)生，從體軸建立到器官原基形成，團隊歷時兩年，圍繞人類早期胚胎發(fā)育關鍵過程，構建起系統(tǒng)性的研究框架，已在國際頂級期刊連發(fā)三篇高水平論文，本研究的主要發(fā)現(xiàn)包括：

1. 人類后腦（hindbrain, HB）的雙向起源

本研究首次揭示人類后腦具有雙重發(fā)育來源。其中，位于前部的HB細胞（HB-a）起源于CS8階段的上胚層/外胚層（Epi/Ecto），由神經(jīng)外胚層（原發(fā)性神經(jīng)細胞）發(fā)育形成。而位于后部的HB細胞（HB-p）則來源于CS8階段的原條/原腸化細胞（Gast/PS），由NMP（神經(jīng)中胚層前體，次級神經(jīng)細胞）發(fā)育形成。

2. NMP（neuromesodermal progenitor）的空間定位及分化命運

本研究明確了人類NMP（神經(jīng)中胚層前體）具有雙向分化潛能，可分別分化為神經(jīng)譜系（NMP-N，SOX2高表達）和中胚層譜系（NMP-M，TBXT高表達）。并首次發(fā)現(xiàn)WNT和FGF信號在背腹方向的梯度分布驅動NMP發(fā)生命運抉擇，使其在胚胎背腹軸上呈現(xiàn)“雙層結構”，背側為趨向神經(jīng)的NMP-N，腹側為趨向中胚層/體節(jié)的NMP-M。通過跨物種比較分析，提示人類在NMP階段已開始顯現(xiàn)與非靈長類動物不同的神經(jīng)發(fā)育特征。

3. 造血和生殖系統(tǒng)的早期發(fā)育

研究團隊在CS9階段的心內膜管（ECT）和主動脈形成區(qū)域發(fā)現(xiàn)存在多個經(jīng)典造血內皮細胞（HECs）標志基因的表達，如CD34、KDR、PROCR和PECAM1，提示該區(qū)域可能是人類最早期造血起始的關鍵位點。

此外，在后腸（Hindgut）與尿囊（Allantois）區(qū)域發(fā)現(xiàn)原始生殖細胞（PGCs）標志物表達，表明CS9期PGCs已遷移至AGM區(qū)域，Allantois可能作為遷移過程中的中轉節(jié)點。且在中間中胚層（Int.Meso）中檢測到多個前腎標志基因（如PAX2、PAX8、LHX1），提示人類生殖系統(tǒng)的形態(tài)雛形已開始建立。但由于更晚期生殖嵴標志基因LHX9和EMX2并未表達，說明生殖嵴尚未完全形成。

綜上，本研究通過對單一剖面的胚胎空間轉錄組圖譜進行數(shù)字重建，繪制出一張前所未有的發(fā)育“施工圖”。除以上亮點，研究主要發(fā)現(xiàn)還包括：原始心腔中已出現(xiàn)心肌與心內膜的分化，潛在造血位點被提出；中腦-后腦邊界存在關鍵的峽部組織者Isthmic Organizer，調控腦區(qū)發(fā)育分區(qū)等。

人類胚胎發(fā)育的第三周（原腸運動時期）是各譜系“從無到有“的關鍵期，扁平的三胚層結構被折疊，快速分化出脊髓、心臟、腸道等器官的雛形；第三周也是信號通路密集激活的"爆發(fā)期"，Wnt/β-catenin、BMP/TGF-β等信號通路調控原條形成、體軸建立、中胚層分化等過程。雖然原腸運動過程中各譜系相互影響相互調控，但僅僅一周的時間胚胎就發(fā)生了巨大的變化，從二胚層到三胚層再折疊為管狀結構，僅僅依靠傳統(tǒng)組學的研究方法難以捕捉瞬時且劇烈的變化。為此，該團隊與前期系列工作共同建立了人類胚胎原腸運動三維全景圖。該系列研究具有重要的理論和應用價值，包括為人類早期發(fā)育與器官形成提供系統(tǒng)性的三維分子參考；為推動干細胞分化和類器官培養(yǎng)技術的優(yōu)化，以及為先天性畸形等發(fā)育異常疾病的機制研究提供新的標準等。目前，基于上述工作，研究團隊正致力于利用發(fā)現(xiàn)的信號通路在體外精準模擬上述器官發(fā)生過程，為再生醫(yī)學治療提供新的思路。此外，研究團隊已公開所有數(shù)據(jù)和分析工具，并分別建立了交互式數(shù)據(jù)庫，鏈接如下：

卡內基階段7（CS7）：https://cs7.3dembryo.com/

卡內基階段8（CS8）：http://cs8.3dembryo.com/

卡內基階段9（CS9）：https://cs9.3dembryo.com/

原文鏈接：https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(25)00142-0

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