來源:iNature
由于缺乏來自自然胚胎的參考數(shù)據(jù)集,特別是那些具有原腸胚形成等關(guān)鍵階段空間信息的數(shù)據(jù)集,阻礙了對早期人類發(fā)育的理解。
2024年4月23日,中國科學院動物研究所和北京干細胞與再生醫(yī)學研究院的于樂謙研究員、郭靖濤研究員、中國農(nóng)業(yè)大學魏育蕾教授及中國科學院動物研究所王曉琰博士共同通訊在Cell 在線發(fā)表題為“3D reconstruction of a gastrulating human embryo”的研究論文,該研究對一個完整的Carnegie期(CS) 8人類胚胎的62個橫切面上的38,562個點進行了高分辨率的空間轉(zhuǎn)錄組學分析。
從這個空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集,該研究構(gòu)建了CS8胚胎的3D模型,其中基于基因表達模式和位置信息,沿胚胎的前后軸、內(nèi)外側(cè)軸和背腹軸鑒定了一系列細胞亞型。該研究進一步描述了胚胎和胚胎外組織的譜系軌跡,以及相關(guān)的調(diào)控和信號中心的區(qū)域化,以及在原腸胚形成過程中支持譜系進展和組織模式的信號活動。該研究的發(fā)現(xiàn)為人類胚胎的原腸胚形成和后原腸胚發(fā)育提供了見解。
原腸胚形成是由囊胚內(nèi)的雙層胚胎盤轉(zhuǎn)變成一個復雜的多維結(jié)構(gòu),即原腸胚。這個復雜的事件為不同的細胞譜系和空間模式奠定了基礎(chǔ)。人原腸胚形成發(fā)生在受精后的胚胎第14天至第21天(E14-21),對應(yīng)于Carnegie期(CS) 7至9。在此期間,外胚層(Epi)被分配到初級胚層和胚外組織的前體和衍生物。除了確定細胞譜系外,建立體軸對于協(xié)調(diào)遷移、定位和分化細胞的模式至關(guān)重要。
脊索等動態(tài)信號中樞調(diào)節(jié)身體軸線的建立,引導細胞向指定的目的地發(fā)育。這種協(xié)調(diào)的中斷可導致嚴重的先天性異常。然而,人類胚胎發(fā)生的研究面臨著獨特的挑戰(zhàn),因為子宮內(nèi)早期人類胚胎材料的稀缺性限制了直接研究。因此,研究人員對人類原腸胚的理解在很大程度上依賴于來自其他來源的數(shù)據(jù)。
動物,如老鼠,是獲取有關(guān)原腸形成知識的主要來源。特別是,單細胞RNA測序(scRNA-seq)的應(yīng)用為每個譜系的發(fā)育基因表達和發(fā)育路徑提供了越來越詳細的視圖。然而,靈長類動物胚胎發(fā)生在解剖結(jié)構(gòu)、發(fā)育時間和譜系命運決定等方面的獨特性,導致僅依靠研究模式動物來理解靈長類動物胚胎存在困難。近年來發(fā)展起來的靈長類囊胚體外培養(yǎng)方法和基于多能干細胞的胚胎模型使研究人員能夠在子宮外研究胚胎譜系的個體發(fā)生,并揭示了早期靈長類胚胎的幾個發(fā)育里程碑。然而,由于相關(guān)文獻的缺乏,這些干細胞衍生的胚胎模型是否能忠實地復制胚胎發(fā)育存在一定的困難。
模式圖(Credit: Cell)
對于子宮內(nèi)靈長類動物胚胎,最近對早期原腸胚發(fā)育的人類胚胎(CS7)和食蟹猴原腸胚發(fā)育胚胎的轉(zhuǎn)錄組學表征為靈長類動物原腸胚發(fā)育提供了重要的見解。盡管取得了這些進展,但這些數(shù)據(jù)集缺乏空間定位信息,這使得準確注釋細胞亞型具有挑戰(zhàn)性。在原腸胚形成過程中,細胞命運是如何在不同位置決定的,以及各種亞型細胞是如何沿著身體軸進行協(xié)調(diào)和發(fā)育的,這些問題仍然是碎片化的。近年來,在胚胎著床后的CS5至CS7階段對狨猴胚胎進行了空間分析。本研究利用激光捕獲顯微解剖與Smart-seq2相結(jié)合,發(fā)現(xiàn)了重要的發(fā)育事件。
該研究對一個完整的原腸胚CS8胚胎的62個切片進行了連續(xù)橫切面,這使研究人員能夠?qū)⑺星衅目臻g轉(zhuǎn)錄組從前側(cè)面到后側(cè)面結(jié)合起來,從而實現(xiàn)胚胎的完整3D重建。該數(shù)據(jù)集為研究人類原腸胚形成事件的基本細胞和分子特征提供了機會,并為開發(fā)先進的干細胞衍生的人類胚胎模型提供了寶貴的信息。
原文鏈接:https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)00357-X#%20