首个完整人类原肠胚模型被3D重构
本报北京4月24日电(记者齐芳)原肠运动是大部分动物胚胎发育中的一个重要阶段,是生命科学研究的热点和焦点之一。中国科学院动物研究所和北京干细胞与再生医学研究院、中国农业大学的研究人员,首次用数字3D重构了首个完整人类原肠胚模型,极大地推进了人类对于生命初始如何发育的认知。这一成果于4月23日在国际学术期刊《细胞》发表。
生命科学中,人类胚胎发育的前八周被划分为23个卡内基分期(CS1-CS23),原肠运动主要发生在CS7-CS8阶段,也就是受精后的14至21天之间。在这个阶段,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。
但按照生命科学研究的伦理规范,人类胚胎的体外培养被限制在14天内。因此,尽管人们采取了多能干细胞体外构建类胚胎等方法来研究原肠运动,却始终没有办法准备了解其过程,原肠运动也被认为是人类发育的"黑匣子"。
成果的主要完成人、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说:"基于一枚CS8时期完整人类胚胎,我们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。"
这让研究者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。但现在,我们发现,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。"文章主要完成人之一、中国科学院动物研究所和北京干细胞与再生医学研究院郭靖涛研究员说,"可以说,这项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。"
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。脊椎动物在胚胎发育过程中,主要依赖于一类被称为组织中心的细胞作用,令躯体三条体轴逐渐建立。"我们在研究中,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。我们发现,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。"于乐谦说,"这为窥探人类极早期胚胎发育打开了一扇全新的大门。"