年度最佳Cell论文：于乐谦/郭靖涛/魏育蕾/王晓琰等数字3D重构首个完整人类原肠胚模型

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

发育生物学的先驱之一，刘易斯·沃伯特（Lewis Wolpert）曾这样说：出生、结婚、死亡都不是你一生中最重要的时刻，原肠运动才是。原肠运动（gastrulation）是指大部分动物胚胎发育中都会经历的一个阶段。在本阶段中，只有一层细胞的囊胚会发生重组，形成一个含有三个胚层（即外胚层ectoderm、中胚层mesoderm、内胚层endoderm）的结构，而新形成的三个胚层细胞会组合并协调发育为各种器官。每一个胚层的细胞都能发育为特定的器官和组织。

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14-21天之间，因此被认为是人类发育的“黑匣子”。尽管基于多能干细胞体外构建的类胚胎结构能在一定程度上帮助我们认识这个过程，然而受限于技术限制，目前类胚胎并不能完全真实地反映胚胎发育轨迹。因此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。

为了精准地描述不同发育时期人类胚胎特征，上世纪早期来自美国卡耐基研究所的科学家们将人类胚胎发育的前八周划分为23个卡内基分期，即Carnegie stage（CS1-CS23）。原肠运动主要发生于CS7-CS8阶段。

2024年4月23日，中国科学院动物研究所和北京干细胞与再生医学研究院于乐谦研究员、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合作，在Cell期刊发表了题为：3D Reconstruction of a Gastrulating Human Embryo 的研究论文。该论文入选了Cell日前发布的“Best of Cell 2024”榜单，该榜单展示了 2023 年底到 2024 年底这一年里在Cell期刊发表的最令人兴奋的论文，共 12 篇。

该研究基于一枚珍贵的CS8时期完整人类胚胎，利用连续横断面高分辨空间转录组切片，结合机器学习算法进行三维对齐，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（图1）。

图1：3D重构人类CS8时期早期胚胎，CS8胚胎结构与空间转录组测序过程（上），3D重构点云图与模式图（下）

人的生命始于精子与卵子融合形成受精卵，受精卵经历卵裂形成囊胚，囊胚在6-7天时种植到母体子宫进一步发育。第14天开始，胚胎经历原肠运动，胚胎后部细胞发生大规模定向迁移，并形成原条（Primitive Streak）。通过人类原肠胚的3D重构，可以让我们精确地看到每一种细胞在胚胎中的相对分布位置。将空间位置信息与细胞类群信息、基因表达信息相结合，让我们能够更加精确地定义不同的细胞类型，并且分析其与周围细胞的作用关系。以中胚层细胞的形成为例，目前中胚层的迁移过程尚不清楚。

在这项研究中，借助3D重构胚胎，依据空间位置和特征基因进行分析，研究者发现在原条位置上，各类中胚层亚群，包括轴向中胚层（Axial Mesoderm）、近轴中胚层（Paraxial Mesoderm）、中间中胚层（Intermediate Mesoderm）、侧板中胚层（Lateral Plate Mesoderm）、以及胚外中胚层前体细胞（Extraembryonic Mesoderm progenitor）等，沿着头端自尾端（A-P轴）的方向顺利排列。这表明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，并依据决定好的命运迁移到相应位置上。该工作填补了原肠胚阶段人类胚胎各细胞谱系发育知识空白。

更重要的是，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（A-P），背-腹轴（D-V），以及左-右轴（L-R），各种组织器官沿其依序排列。我们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。

该研究中关注了七条发育过程中的重要细胞信号通路（FGF/WNT/TGF-β/SHH/NODAL/BMP/RA pathway），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，为窥探人类极早期胚胎发育打开了一扇全新的大门。

鉴于3D模型以论文图片形式展示的挑战，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

中国科学院动物研究所和北京干细胞与再生医学研究院于乐谦研究员、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该论文的通讯作者，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王红梅研究员为资深作者。

论文链接：

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)00357-X