科學(xué)家3D重構(gòu)人類原腸期胚胎?揭示人類胚胎尾端信號(hào)源調(diào)控原腸運(yùn)動(dòng)
| 來源: 動(dòng)物研究所 【字號(hào):大 中 小】
原腸運(yùn)動(dòng)是指大部分動(dòng)物胚胎發(fā)育均會(huì)經(jīng)歷的一個(gè)階段。中國科學(xué)院動(dòng)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(gè)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(gè)卡內(nèi)基分期(CS1-CS23)。原腸運(yùn)動(dòng)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(huì)發(fā)生重組,形成一個(gè)含有三個(gè)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(gè)胚層細(xì)胞會(huì)組合并協(xié)調(diào)發(fā)育為各種器官。每一個(gè)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(dòng)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(shí)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(dòng)發(fā)育景觀,對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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(shí)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(shí)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(dòng)過程的另一個(gè)重要事件,也就是體軸形成。哺乳動(dòng)物的軀體有三條體軸即頭-尾軸、背-腹軸以及左-右軸,同時(shí),各種組織器官沿其依序排列。脊椎動(dòng)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(hào)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(hào)配受體等的表達(dá)情況。研究發(fā)現(xiàn),在這一時(shí)期,人類胚胎尾部可能存在一個(gè)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(dòng)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。
3D重構(gòu)人類CS8時(shí)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
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