記者從中國科學院動物研究所獲悉，該所與北京幹細胞與再生醫學研究院、中國農業大學等單位的科研人員合作，透過3D重構人類原腸期胚胎，首次揭示了人類胚胎尾端組織中心調控原腸運動。此項研究工作填補了原腸胚階段人類胚胎各細胞譜系發育知識空白。研究成果於北京時間4月23日在國際學術期刊《細胞》發表。
發育生物學的先驅之一，路易斯·沃伯特（Lewis Wolpert）曾這樣說：「出生、結婚、死亡都不是你一生中最重要的時刻，原腸運動才是。」原腸運動（gastrulation）是指大部分動物胚胎發育中都會經歷的一個階段。在這個階段中，只有一層細胞的囊胚會重組，形成一個含有三個胚層（即外胚層、中胚層和內胚層）的結構，而新形成的三個胚層細胞會組合併協調發育為各種器官。每一個胚層的細胞都能發育為特定的器官和組織。
原腸運動形成過程與中胚層的遷移路徑示意圖（摘自「Larsen's Human Embryology」）
出於生命倫理的考慮，人類胚胎的體外培養被限制在14天內（即"14天規則"），而人類原腸運動發生在受精後14至21天之間，因此被認為是人類發育的"黑匣子」。儘管基於多能幹細胞體外建構的類胚胎結構能在某種程度上幫助我們認識這個過程，然而受限於技術限制，目前類胚胎並不能完全真實地反映胚胎發育軌跡。因此了解自然情況下胚胎原腸運動發育對理解早期胚胎發育異常所導致的流產和胎兒疾病的發病機制有深遠的臨床意義，並能為體外類胚胎模型的建構提供藍圖。
為了精確地描述不同發育時期人類胚胎特徵，上世紀早期來自美國卡內基研究所的科學家將人類胚胎發育的前八週劃分為23個卡內基分期，即Carnegie stage（CS1-CS23）。原腸運動主要發生於CS7-CS8階段。本研究基於一枚珍貴的CS8時期完整人類胚胎，利用連續橫斷面高分辨空間轉錄組切片，結合機器學習演算法進行三維對齊，建構了完整胚胎中不同細胞類型與基因表現的三維空間分佈點雲圖，進而數位3D重建了首個完整人類原腸胚模型。
（上）CS8胚胎結構與空間轉錄組定序過程（中）3D重建點雲圖與模式圖（下）部分細胞亞群分佈、訊號在AP軸上的分佈與訊號源示意圖
人類原腸胚的3D重構，可以讓我們精確地看到每一種細胞在胚胎中的相對分佈位置。將空間位置資訊與細胞類群資訊、基因表現資訊結合，讓我們能夠更精確地定義不同的細胞類型，並分析其與周圍細胞的作用關係。以中胚層細胞的形成為例，目前中胚層的遷移過程尚不清楚。在本工作中，借助3D重建胚胎，研究者發現中胚層很有可能在尚未遷出原條時就已經發生了細胞命運決定，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，並依據決定好的命運遷移到對應位置。此外， 3D重構的空間位置資訊使得研究者可以去探索原腸運動過程中另一個重要的事件，即體軸形成。哺乳類的軀體有三條體軸：頭-尾軸、背-腹軸、左-右軸，各種組織器官沿其依序排列。我們已知在脊椎動物胚胎發育過程中，主要依賴一類稱為組織中心（Organizer）的細胞作用，令軀體三條體軸逐漸建立。本研究中關注了七條發育過程中的重要細胞信號通路，並整合空間分佈信息，分析了在軸向建立的過程中信號配受體等的表達情況，發現在該時期人類胚胎尾部很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育打開了一扇全新的大門。
專欄編輯：秦紅文字編輯：笪曦題圖來源：圖蟲圖片編輯：曹立媛
來源：作者：央視新聞客戶端
沒有留言:
發佈留言