原腸運(yùn)動是指大部分動物胚胎發(fā)育均會經(jīng)歷的一個階段。中國科學(xué)院動物研究所、北京干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究院以及中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員，首次用數(shù)字3D重構(gòu)了首個完整人類原腸胚模型。4月23日，相關(guān)研究成果以3D Reconstruction of a Gastrulating Human Embryo為題，發(fā)表在《細(xì)胞》（Cell）上。

20世紀(jì)早期，科學(xué)家將人類胚胎發(fā)育的前八周劃分為23個卡內(nèi)基分期（CS1-CS23）。原腸運(yùn)動主要發(fā)生于CS7-CS8階段。在這一階段，只有一層細(xì)胞的囊胚會發(fā)生重組，形成一個含有三個胚層（即外胚層、中胚層和內(nèi)胚層）的結(jié)構(gòu)，而新形成的三個胚層細(xì)胞會組合并協(xié)調(diào)發(fā)育為各種器官。每一個胚層的細(xì)胞都能發(fā)育為特定的器官和組織。

出于生命倫理的考慮，人類胚胎的體外培養(yǎng)被限制在14天內(nèi)即“14天規(guī)則”。而人類原腸運(yùn)動發(fā)生在受精后14至21天之間，被認(rèn)為是人類發(fā)育的“黑匣子”。盡管基于多能干細(xì)胞體外構(gòu)建的類胚胎結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上幫助科學(xué)家認(rèn)識這一過程，但受到技術(shù)的限制，目前類胚胎尚不能完全真實(shí)地反映胚胎發(fā)育軌跡。因此，研究自然情況下胚胎原腸運(yùn)動發(fā)育景觀，對探討早期胚胎發(fā)育異常導(dǎo)致的流產(chǎn)和胎兒疾病的發(fā)病機(jī)制具有重要的臨床意義，并有望為構(gòu)建體外類胚胎模型提供藍(lán)圖。

該研究基于一枚珍貴的CS8時期完整人類胚胎，利用連續(xù)橫斷面高分辨空間轉(zhuǎn)錄組切片，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行三維對齊，構(gòu)建了完整胚胎中不同細(xì)胞類型與基因表達(dá)的三維空間分布點(diǎn)云圖，進(jìn)而數(shù)字3D重構(gòu)了完整人類原腸胚模型。

研究發(fā)現(xiàn)，通過人類原腸胚的3D重構(gòu)，可以精確地看到每一種細(xì)胞在胚胎中的相對分布位置。研究將空間位置信息與細(xì)胞類群信息、基因表達(dá)信息相結(jié)合，可以更加精確地定義不同的細(xì)胞類型，并分析其與周圍細(xì)胞的作用關(guān)系。以中胚層細(xì)胞的形成為例，目前中胚層的遷移過程尚不清楚。該研究借助3D重構(gòu)胚胎并依據(jù)空間位置和特征基因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在原條位置上的各類中胚層亞群如軸向中胚層、近軸中胚層、中間中胚層、側(cè)板中胚層以及胚外中胚層前體細(xì)胞等，沿著頭端自尾端的方向排列。這表明中胚層可能在尚未遷出原條時便已發(fā)生細(xì)胞命運(yùn)決定，并依據(jù)決定好的命運(yùn)遷移到相應(yīng)位置上。這填補(bǔ)了原腸胚階段人類胚胎各細(xì)胞譜系發(fā)育知識空白。

進(jìn)一步，3D重構(gòu)的空間位置信息使得科學(xué)家可以探究原腸運(yùn)動過程的另一個重要事件，也就是體軸形成。哺乳動物的軀體有三條體軸即頭-尾軸、背-腹軸以及左-右軸，同時，各種組織器官沿其依序排列。脊椎動物胚胎發(fā)育過程中，主要依賴于一類被稱為組織中心的細(xì)胞作用，令軀體三條體軸逐漸建立。該研究關(guān)注了七條發(fā)育過程中的重要細(xì)胞信號通路，整合了空間分布信息，分析了在軸向建立的過程中信號配受體等的表達(dá)情況。研究發(fā)現(xiàn)，在這一時期，人類胚胎尾部可能存在一個和中部脊索類似的組織中心，為窺探人類極早期胚胎發(fā)育打開了全新的大門。

此外，為了便于讀者理解和使用，該團(tuán)隊(duì)建立并發(fā)布了互動共享網(wǎng)站（http://www.cs8.3dembryo.com）。

研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。

論文鏈接

3D重構(gòu)人類CS8時期早期胚胎。A為CS8胚胎結(jié)構(gòu)與空間轉(zhuǎn)錄組測序過程；B為3D重構(gòu)點(diǎn)云圖與模式圖