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、中胚层、和内胚层）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。
原肠运动形成过程与中胚层的迁移路径示意图（摘自 Larsen's Human Embryology ）
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”。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。本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。
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。在本工作中，借助 3D 重构胚胎，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。该工作填补了原肠胚阶段人类胚胎各细胞谱系发育知识的空白。
（上）CS8胚胎结构与空间转录组测序过程（中）3D重构点云图与模式图（下）部分细胞亚群分
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。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。本研究中关注了七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，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.
该工作于 2024 年 4 月 23 日，在国际学术期刊 Cell 以题为 3D Reconstruction of a Gastrulating Human Embryo 正式发表。
DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.03.041
北京干细胞与再生医学研究院/中国科学院动物研究所于乐谦研究员、郭靖涛研究员、王晓琰博士、中国农业大学魏育蕾教授为本文通讯作者，北京干细胞与再生医学研究院/中国科学院动物研究所王红梅研究员为资深作者。本研究得到了中国科学院周琪院士的支持和指导。本研究获得了科技部重点研发项目的经费支持。
编辑： 刘智清
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