北理工團隊利用3D重構(gòu)解析人類原腸運動早期發(fā)育過程
發(fā)布日期：2025-01-10 供稿：生命學(xué)院 攝影：生命學(xué)院
編輯：肖雯 審核：常非 閱讀次數(shù)：
1月10日,，北京理工大學(xué)肖振宇副教授、中國科學(xué)院動物研究所郭靖濤研究員,、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)魏育蕾教授,、及中國科學(xué)院動物研究所于樂謙研究員合作在Nature Cell Biology上發(fā)表文章《Spatial Transcriptomic Characterization of a Carnegie Stage 7 Human Embryo》。這項研究將有助于進一步解讀人類早期原腸胚發(fā)育與細(xì)胞譜系特化的分子機制,。北京理工大學(xué)副教授肖振宇為本文的共同通訊作者,，碩士楊曉龍、博士謝鑫煒為共同第一作者,。北京理工大學(xué)為共同通訊單位,。
人的生命始于精子與卵子融合形成受精卵，進一步發(fā)育形成囊胚,，之后經(jīng)過原腸運動起始早期器官形成的進程,。人類原腸胚形成始于胚胎第14-15天（Carnegie stage，CS6-7）,，在約第21天（CS9）結(jié)束【1】,，最終形成三胚層原腸胚。然而,，早期原腸胚形成的研究仍較為有限,。最近，同一研究團隊對人類CS8胚胎進行研究【2】,，但許多早期原腸胚事件與細(xì)胞特化等已在更早階段發(fā)生,。當(dāng)前唯一可用的關(guān)于人類早期原腸胚的數(shù)據(jù)集是CS7階段的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)【3】，但缺乏精確空間信息,。人類早期原腸運動決定了細(xì)胞如何遷移,、定位和分化,，形成正常器官系統(tǒng)，深入探討這些分子規(guī)律,，為揭示發(fā)育異常和先天性畸形的根源提供理論基礎(chǔ),，提升對人類健康和疾病治療的理解。
為解決上述重大科學(xué)問題,，該研究團隊基于CS7完整人類胚胎,，利用連續(xù)橫斷面（transverse plane）高分辨空間轉(zhuǎn)錄組切片，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法進行三維對齊,，重構(gòu)了首個帶有不同細(xì)胞類型與基因表達(dá)的數(shù)字3D人類原腸胚模型,。
本工作結(jié)合空間位置與DEG對胚胎結(jié)構(gòu)細(xì)胞進一步分群，發(fā)現(xiàn)原腸運動原條細(xì)胞可細(xì)分出包括軸向中胚層,、表達(dá)近軸中胚層,、側(cè)板中胚層/胚外中胚層前體細(xì)胞等類群。此外,，前內(nèi)臟內(nèi)胚層(Anterior Visceral Endoderm, AVE)的遷移行為對于確定胚胎的前后軸向至關(guān)重要,，還具有限制原條在胚胎對側(cè)形成的能力【4】。本研究首次在人胚胎中證明了AVE的存在,，并與鼠,、猴等物種跨物種比較，發(fā)現(xiàn)其特征marker的保守性,。
該研究還探討了人類原始生殖細(xì)胞（Primordial Germ Cells,，PGCs）的空間分布與分子特性。通過與體內(nèi)PGCs,、體外人類原始生殖細(xì)胞樣細(xì)胞（Human Primordial Germ Cell-like Cells,，hPGCLCs）對比，驗證了CS7和CS8的PGCs在轉(zhuǎn)錄組特征上與hPGCLCs高度相似,，進一步揭示了體內(nèi)和體外PGCs在發(fā)育過程中的分子變化,。
鑒于3D模型難以論文圖片形式展示，為了便于更多讀者理解和使用研究結(jié)果,，建立并發(fā)布了可互動共享網(wǎng)站：cs7.3dembryo.com. 這項研究推動了領(lǐng)域?qū)θ祟愒c胚發(fā)育的理解,，并為未來早期人類發(fā)育研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)集。
人類早期原腸運動胚胎結(jié)構(gòu)與譜系特化分析,。
A. CS7胚胎空間轉(zhuǎn)錄組測序樣本形態(tài)與重構(gòu)模型,。B. 免疫熒光染色驗證CS7胚胎胚層結(jié)構(gòu),。C. 結(jié)合體內(nèi)PGCs與hPGCLCs的Monocle2擬時序分析,。D. C中不同細(xì)胞聚類關(guān)系的分支與相似程度。E. Monocle2進行PGCs模式基因富集的擬時序分析,。
論文的第一單位為中科院動物所器官再生與智造重點實驗室,，第三單位為北京理工大學(xué)生命學(xué)院,。本研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委員會啟動資金等基金的資助,。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41556-024-01597-3
1. Bergmann, S., Penfold, C. A., Slatery, E., Siriwardena, D., Drummer, C., Clark, S., Strawbridge, S. E., Kishimoto, K., Vickers, A., Tewary, M., Kohler, T. N., Hollfelder, F., Reik, W., Sasaki, E., Behr, R., & Boroviak, T. E. (2022). Spatial profiling of early primate gastrulation in utero. Nature , 609(7925), 136–143. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04953-1.
2. Xiao, Z., Cui, L., Yuan, Y., He, N., Xie, X., Lin, S., Yang, X., Zhang, X., Shi, P., Wei, Z., Li, Y., Wang, H., Wang, X., Wei, Y., Guo, J., & Yu, L. (2024). 3D reconstruction of a gastrulating human embryo. Cell , 187(11), 2855–2874.e19. https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.03.041.
3. Tyser, R. C. V., Mahammadov, E., Nakanoh, S., Vallier, L., Scialdone, A., & Srinivas, S. (2021). Single-cell transcriptomic characterization of a gastrulating human embryo. Nature , 600(7888), 285–289. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04158-y.
4. Zhu Q, Ge J, Liu Y, Xu JW, Yan S, Zhou F. Decoding anterior-posterior axis emergence among mouse, monkey, and human embryos. Dev Cell . 2023 Jan 9;58(1):63-79.e4. doi: 10.1016/j.devcel.2022.12.004. PMID: 36626872.
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