《细胞》：中国科学家在世界上首次3D重构人类原肠期胚胎

 

北京时间2024年4月23日晚，我国科学家团队在国际学术期刊Cell发表题为“3D Reconstruction of a Gastrulating Human Embryo”（人类原肠胚的三维重建）的研究论文。

该工作构建了完整胚胎中不同细胞类型与基因表达的三维空间分布点云图，进而数字3D重构了首个完整人类原肠胚模型。

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为本文通讯作者。

出于生命伦理的考虑，人类胚胎的体外培养被限制在14天内（即“14天规则”），而人类原肠运动发生在受精后14至21天之间，因此被认为是人类发育的“黑匣子”。若能借助技术手段，了解自然情况下胚胎原肠运动发育景观，对理解早期胚胎发育异常导致的流产和胎儿疾病的发病机制有深远的临床意义，并能为体外类胚胎模型的构建提供蓝图。

图一：3D重构人类CS8时期早期胚胎。A：CS8胚胎结构与空间转录组测序过程；B：3D重构点云图与模式图（课题组供图，下同）

在本工作中，研究人员借助3D重构胚胎，填补了原肠胚阶段人类胚胎各胚层发育知识空白。研究者发现中胚层很有可能在尚未迁出原条时就已经发生了细胞命运决定，分化为了轴向中胚层、近轴中胚层、中间中胚层和侧板中胚层等谱系，并依据决定好的命运迁移到相应位置上。

图二：中胚层谱系在CS8胚胎中的发生。A：中胚层相关谱系在CS8胚胎中的3D重构；B：中胚层谱系的UMAP分群；C：中胚层谱系在DV-LR面上的分布示意图

此外， 3D重构的空间位置信息使得研究者们可以去探索原肠运动过程中另外一个重要的事件，即体轴形成。哺乳动物的躯体有三条体轴：头—尾轴，背—腹轴，以及左—右轴，各种组织器官沿其依序排列。已知在脊椎动物胚胎发育过程中，主要依赖于一类被称为组织中心（Organizer）的细胞作用，令躯体三条体轴逐渐建立。本研究中关注了7条发育过程中的重要细胞信号通路，并整合空间分布信息，分析了在轴向建立的过程中信号配受体等的表达情况，发现在该时期人类胚胎尾部很可能存在一个和中部脊索类似的组织中心。这也为窥探人类极早期胚胎发育打开了一扇全新的大门。

为了便于更多读者理解和使用研究结果，论文作者们还同时建立并发布了可互动共享网站：cs8.3dembryo.com。

图三：A-P轴上各通路的信号变化和可能信号源的表征。A-E：通路配体、受体、抑制剂在A-P轴上的分布特征；F：部分配受体和抑制剂在胚胎空间上的分布；G：PGC在connecting stalk处的分布；H：notochord/connecting stalk及其信号在胚胎中的分布示意图

本研究获得了科技部重点研发项目的经费支持。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.03.041