原腸運動(dòng)是大部分動(dòng)物胚胎發(fā)育中的一個(gè)重要階段，是生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)之一。中國科學(xué)院動(dòng)物研究所和北京干細胞與再生醫學(xué)研究院、中國農業(yè)大學(xué)的研究人員，首次用數字3D重構了首個(gè)完整人類(lèi)原腸胚模型，極大地推進(jìn)了人類(lèi)對于生命初始如何發(fā)育的認知。這一成果于4月23日在國際學(xué)術(shù)期刊《細胞》發(fā)表。
生命科學(xué)中，人類(lèi)胚胎發(fā)育的前八周被劃分為23個(gè)卡內基分期（CS1-CS23），原腸運動(dòng)主要發(fā)生在CS7-CS8階段，也就是受精后的14至21天之間。在這個(gè)階段，只有一層細胞的囊胚會(huì )發(fā)生重組，形成一個(gè)含有三個(gè)胚層（即外胚層、中胚層和內胚層）的結構，而新形成的三個(gè)胚層細胞會(huì )組合并協(xié)調發(fā)育為各種器官。每一個(gè)胚層的細胞都能發(fā)育為特定的器官和組織。
但按照生命科學(xué)研究的倫理規范，人類(lèi)胚胎的體外培養被限制在14天內。因此，盡管人們采取了多能干細胞體外構建類(lèi)胚胎等方法來(lái)研究原腸運動(dòng)，卻始終沒(méi)有辦法準備了解其過(guò)程，原腸運動(dòng)也被認為是人類(lèi)發(fā)育的“黑匣子”。
成果的主要完成人、中國科學(xué)院動(dòng)物研究所和北京干細胞與再生醫學(xué)研究院于樂(lè )謙研究員說(shuō)：“基于一枚CS8時(shí)期完整人類(lèi)胚胎，我們利用連續橫斷面高分辨空間轉錄組切片，結合機器學(xué)習算法進(jìn)行三維對齊，構建了完整胚胎中不同細胞類(lèi)型與基因表達的三維空間分布點(diǎn)云圖，進(jìn)而數字3D重構了首個(gè)完整人類(lèi)原腸胚模型。”
這讓研究者們精確地看到每一種細胞在胚胎中的相對分布位置。“將空間位置信息與細胞類(lèi)群信息、基因表達信息相結合，讓我們能夠更加精確地定義不同的細胞類(lèi)型，并且分析其與周?chē)毎淖饔藐P(guān)系。以中胚層細胞的形成為例，目前中胚層的遷移過(guò)程尚不清楚。但現在，我們發(fā)現，中胚層很有可能在尚未遷出原條時(shí)就已經(jīng)發(fā)生了細胞命運決定，分化為了軸向中胚層、近軸中胚層、中間中胚層和側板中胚層等譜系，并依據決定好的命運遷移到相應位置上。”文章主要完成人之一、中國科學(xué)院動(dòng)物研究所和北京干細胞與再生醫學(xué)研究院郭靖濤研究員說(shuō)，“可以說(shuō)，這項工作填補了原腸胚階段人類(lèi)胚胎各細胞譜系發(fā)育知識空白。”
此外，3D重構的空間位置信息使得研究者們可以去探索原腸運動(dòng)過(guò)程中另外一個(gè)重要的事件，即體軸形成。哺乳動(dòng)物的軀體有三條體軸：頭-尾軸，背-腹軸以及左-右軸，各種組織器官沿其依序排列。脊椎動(dòng)物在胚胎發(fā)育過(guò)程中，主要依賴(lài)于一類(lèi)被稱(chēng)為組織中心的細胞作用，令軀體三條體軸逐漸建立。“我們在研究中，關(guān)注了7條發(fā)育過(guò)程中的重要細胞信號通路，并整合空間分布信息，分析了在軸向建立的過(guò)程中信號配受體等的表達情況。我們發(fā)現，在該時(shí)期人類(lèi)胚胎尾部很可能存在一個(gè)和中部脊索類(lèi)似的組織中心。”于樂(lè )謙說(shuō)，“這為窺探人類(lèi)極早期胚胎發(fā)育打開(kāi)了一扇全新的大門(mén)。”
（原載于《光明日報》 2024-04-25 08版）
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