Nature:繪制靈長類胚胎原腸運動至早期器官發育轉錄組圖譜

子孫滿堂康復師 2023-01-03 發布于黑龍江

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人的生命始于精子與卵子融合形成受精卵（胚胎期第0天；Embryonic day 0；E0），受精卵經歷卵裂形成囊胚，囊胚在E7左右種植到母體子宮進一步發育。E14開始，胚胎經歷原腸運動，胚胎后部細胞發生大規模定向遷移，并形成原條細胞。原條細胞進一步分化為中胚層和定型內胚層（definitive endoderm），同時胚胎前部細胞分化為外胚層。

基于此，胚胎發育成為具有內胚層、中胚層和外胚層的三胚層胚胎。經過復雜的信號通路調控，三胚層胚胎進一步形成各種器官原基，并最終形成我們身體中包括神經系統、消化系統、呼吸系統、心血管循環系統、泌尿生殖系統等所有系統的各種器官。原腸運動和三胚層分化異常與多種出生缺陷（如先天性心臟病和神經管畸形等）和發育源性疾病相關。探索人類早期胚胎發育過程及機制對于這些疾病的診斷和治療至關重要。

為了精準地描述不同發育時期人類胚胎特征并進行物種間胚胎發育比較，自20世紀早期美國卡耐基研究所的Franklin Mall等將人類胚胎發育的前60天（E0-E60）劃分為23個發育時期，即Carnegie stage（CS1-CS23）。目前，通過體外胚胎培養等方法，人類CS1-CS6（E0-E14）胚胎發育事件已被多個團隊解析；借助一枚寶貴的在體胚胎，人類CS7胚胎的關鍵發育事件（原腸運動等）也開始被闡明。然而，由于臨床診療規范限制，人CS8-11的正常胚胎極難獲得，因此尚無關于在此階段發生的中晚期原腸運動和早期器官發育事件的研究。非人靈長類（如食蟹猴）在進化、生理特征及胚胎發育方面與人類高度類似，可作為研究人類早期胚胎發育的替代模型。由于人類早期胚胎難于獲得，一些人類早期胚胎上難以回答的問題可借助非人靈長類胚胎實現。

中國科學院動物研究所王紅梅和郭帆團隊、美國德克薩斯大學西南醫學中心吳軍團隊以及安徽醫科大學蔣祥祥團隊合作，在《自然》（Nature）上，發表了題為Primate gastrulation and early organogenesis at single-cell resolution的研究論文。該研究以食蟹猴為模型，利用單細胞轉錄組測序和干細胞分化模型等，繪制了食蟹猴CS8-CS11時期（E20-E29）胚胎的單細胞轉錄組圖譜，揭示了原腸運動和三胚層分化（神經管、體節、腸管等的發育）過程中重要細胞類群的特征及其譜系發生和調控機制，并比較了嚙齒類和靈長類早期胚胎發育事件的進化差異。

研究收集了CS8-CS11階段的食蟹猴胚胎，利用10X單細胞轉錄組測序技術捕獲了56636個單細胞并進行生物信息學分析，明確定義了食蟹猴該時期的38個主要細胞類群，繪制了目前國際上第一張靈長類CS8-CS11胚胎的高通量單細胞轉錄組圖譜（圖1）。

嚙齒類動物（小鼠）原腸運動階段的胚胎三胚層細胞分化過程已有相對全面清晰的描述，但在靈長類動物上的研究仍非常有限。為了探討靈長類原腸運動階段胚胎三胚層細胞分化的精細過程，研究通過RNA軌跡分析描繪了原條細胞的三向分化潛能——初始中胚層（nascent mesoderm）、定型內胚層和原結（node）。其中，初始中胚層可進一步分化為神經中胚層祖細胞（neuromesoderm progenitor，NMP）、前體節中胚層（presomite mesoderm，PSM）、軸旁中胚層（paraxial mesoderm）、中間中胚層（intermediate mesoderm）、側板中胚層（lateral plate mesoderm）、生心中胚層（cardiac mesoderm）和胚外中胚層（extraembryonic mesoderm）等細胞類型；定型內胚層與原腸運動之前形成的臟壁內胚層（visceral endoderm）共同貢獻于腸管（gut tube）的形成；原結進一步參與軸正中中胚層（axial mesoderm）的形成。此外，研究基于生物信息學分析推測，由外胚層分化而來的神經管前后不對稱和背腹不對稱的發育模式是由WNT、SHH和TGB-β等信號在胚胎前后軸和背腹軸的不對稱表達所介導。

哺乳動物早期胚胎發育過程在進化上高度保守，但不同物種哺乳動物的早期胚胎發育過程存在特異的分子特征。研究全面比較了相同發育階段的小鼠和食蟹猴胚胎的轉錄組差異（圖3），揭示了兩物種胚胎中對應細胞類型的分化調控異同。研究發現，T、EOMES和TBX6基因在小鼠和食蟹猴的原條、初始中胚層、神經中胚層祖細胞和外胚層細胞中的表達模式不同。此外，與小鼠相比，Hippo信號通路的多個下游基因在食蟹猴的NMP/PSM中被顯著上調。為剖析Hippo信號通路在靈長類動物與嚙齒類動物NMP/PSM形成過程中的不同作用，研究構建了人、猴和小鼠胚胎干細胞誘導產生的NMP/PSM體外模型，同時，通過添加抑制劑等實驗發現，Hippo信號通路在靈長類NMP/PSM細胞仍保持高度活化狀態，而在小鼠NMP/PSM細胞中被抑制（圖3）。由此，研究推測，Hippo信號通路在人和猴NMP/PSM細胞中的高度活化狀態可能與靈長類胚胎體軸更長、胚胎體積更大及發育周期更長等體征密切相關。

基于干細胞的人類胚胎模型（類胚胎）對人胚胎早期發育研究至關重要。近年來，類原腸胚、類神經胚、心臟類器官及類體節的模型相繼構建成功。然而，由于缺乏靈長類動物體內相應時期胚胎的發育數據，這些胚胎模型對在體真實胚胎的模擬程度無法被直接證實。本研究為未來相應時期胚胎模型的構建提供了在體的比對數據。同時，研究利用這一在體數據，初步探究上述胚胎模型與在體胚胎的相似度，發現上述胚胎模型在細胞類型方面與在體胚胎存在一定相似性，但在關鍵信號通路激活程度、轉錄因子表達等多方面與在體胚胎存在差異。

綜上，本研究揭示了靈長類動物原腸運動至早期器官發育階段胚胎的細胞組分與分子特征、細胞譜系發生過程及分子調控機制。該工作推進了靈長類胚胎原腸運動至早期器官發育階段領域的研究進展，為人類胚胎模型的研究提供了必要的在體數據參考，并為闡釋人類早期胚胎發育過程的調控機理以及發育異常相關疾病的病理奠定了堅實基礎。