Nature | 首次在体外再现脊索的形成过程——利用新型体外模型揭示脊椎动物脊索发育的动态调控机制

撰文 | 阿童木

在脊椎动物的复杂发育过程中，身体轴体的形成是一个协调生成多种组织并精确构建空间结构的关键环节【1】。这些组织来源于胚胎尾端的 祖细胞群，其中脊索作为轴体形成的标志性结构，位于胚胎中线，发挥着力学支撑和信号调控的双重作用【2】。脊索不仅指导神经管和中胚层的模式化，还在胚胎形态塑造中扮演重要角色。然而，目前大多数体外模型 （如类胚体、轴向延伸类器官和脊髓类器官） 虽能生成神经、内胚层和部分中胚层组织，却无法生成脊索及其依赖性组织 （如神经管腹板）【3,4】。

目前，主流观点认为脊索的生成可能需要特定信号通路的组合及其严格的时间调控，而这些条件在现有模型中尚未实现。因此，揭示脊索形 成的分子机制，并构建脊索体外模型，不仅是发育生物学的核心问题，也是推动组织工程和再生医学发展的重要契机。

近日，弗朗西斯·克里克研究所James Briscoe和Tiago Rito等在Nature杂志上发表了题为Timely TGFβ signalling inhibition induces notochord的研究文章，通过整合单细胞转录组学和干细胞分化技术，首次在体外再现了脊索的形成过程，并揭示了在这一过程中TGFβ信号对胚胎模式化构建和脊索样细胞形成的复杂调控机制。

以鸡胚胎为研究对象，作者通过单细胞转录组学分析记录了尾端区域细胞的转录特征。他们发现，神经-中胚层前体细胞（NMPs）和脊索祖细胞（NotoPs）是胚胎躯干组织形成的核心参与者。NMPs细胞群主要表达SOX2、TBXT、CDX2和CYP26A1等基因，而NotoPs细胞群则大量表达FOXA2、CHRD、NOTO等脊索标志基因。研究进一步证实，这些基因表达特征在小鼠和猕猴胚胎中同样存在，体现了脊椎动物胚胎发育的保守性规律。

通过基因表达的空间定位分析，作者发现NMPs主要分布于原条背侧区域，标记基因包括NEFM和CNTN2，而NotoPs位于原结中线的背侧凹坑区域，其特征基因如CHRD和SPRY2编码BMP抑制因子，表明这些区域是信号调控的关键节点。

随后，作者建立了一个基于 人胚胎干细胞的体外模型，以研究 特定信号通路在脊索生成中的作用。利用该模型，他们发现WNT和FGF信号对于激活TBXT基因表达至关重要，从而确保后轴祖细胞的分化潜能得以维持。然而，仅有这些信号是不够的，WNT和FGF信号的作用必须与BMP和NODAL信号的适时抑制相结合，否则后轴细胞将偏向内胚层或侧板中胚层命运，难以生成脊索。

在此基础上，研究团队设计了一种精确的信号调控方案，通过动态调整WNT、FGF、BMP和NODAL的作用时间和强度，成功诱导人胚胎干细胞生成含脊索的三维结构。在这一模型中，脊索细胞沿中线分布，表达FOXA2和CHRD等基因，并通过分泌SHH信号，模式化邻近神经管和中胚层组织。不仅如此，模型还进一步展现了类似胚胎发育的动态特征，其生成的脊索细胞不仅在细胞层面表现出特征性基因表达，还在形态结构上高度还原了脊椎动物的胚胎轴体特征。

此外，研究还揭示了信号调控时机在脊索形成中的重要性。当BMP和NODAL信号的抑制延迟至诱导后的第24小时，脊索细胞的生成显著增加。而在更早或更晚的时间点抑制这些信号均会降低模型的成功率。这一发现表明，脊索的形成依赖于一系列精确的时间窗口，这种精密调控对胚胎轴体发育具有重要意义。

综上所述，本研究通过整合单细胞转录组学和干细胞分化技术，首次在体外再现了脊索的形成过程，并揭示了这一过程中信号通路的动态调控机制。脊索是胚胎发育中的一个决定性结构，它的异常发育可能导致诸如脊柱裂等疾病。这项研究的意义不仅限于对脊索形成的基础性理解，还为研究脊索相关疾病的发病机制提供了重要参考。

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08332-w

制版人：十一

参考文献

1. Turner, D. A. et al. Anteroposterior polarity and elongation in the absence of extra-embryonic tissues and of spatially localised signalling in gastruloids: mammalian embryonic organoids.Development144, 3894–3906 (2017).

2. Veenvliet, J. V. et al. Mouse embryonic stem cells self-organize into trunk-like structures with neural tube and somites.Science370, eaba4937 (2020).

3. Lee, J.-H. et al. Production of human spinal-cord organoids recapitulating neural-tube morphogenesis.Nat. Biomed. Eng.6, 435–448 (2022).

4. Yamanaka, Y. et al. Reconstituting human somitogenesis in vitro.Nature614, 509–520 (2023).

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