年度最佳Cell论文：于乐谦/郭靖涛/魏育蕾/王晓琰等数字3D重构首个完整人类原肠胚模型

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年度最佳Cell论文：于乐谦/郭靖涛/魏育蕾/王晓琰等数字3D重构首个完整人类原肠胚模型
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来源：生物世界 2025-01-09 10:10% V7 v* _8 J; D
该研究构建了完整胚胎中不同细胞类型与基因表达的三维空间分布点云图，进而数字3D重构了首个完整人类原肠胚模型。3 W4 y3 Y$ m: u9 k
中国科学院动物研究所和北京干细胞与再生医学研究院于乐谦研究员、郭靖涛研究员、中国农业大学魏育蕾教授及中国科学院动物研究所王晓琰博士合作，在 Cell 期刊发表了题为：3D Reconstruction of a Gastrulating Human Embryo 的研究论文。该论文入选了 Cell 日前发布的“Best of Cell 2024”榜单，该榜单展示了 2023 年底到 2024 年底这一年里在 Cell 期刊发表的最令人兴奋的论文，共 12 篇。
, w. W! y9 Y. b7 M, r- s* ^, a该研究基于一枚珍贵的CS8时期完整人类胚胎，利用连续横断面高分辨空间转录组切片，结合机器学习算法进行三维对齐，构建了完整胚胎中不同细胞类型与基因表达的三维空间分布点云图，进而数字3D重构了首个完整人类原肠胚模型（图1）。
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图1：3D重构人类CS8时期早期胚胎，CS8胚胎结构与空间转录组测序过程（上），3D重构点云图与模式图（下）: f' E* a3 R: L" V: F
人的生命始于精子与卵子融合形成受精卵，受精卵经历卵裂形成囊胚，囊胚在6-7天时种植到母体子宫进一步发育。第14天开始，胚胎经历原肠运动，胚胎后部细胞发生大规模定向迁移，并形成原条（Primitive Streak）。通过人类原肠胚的3D重构，可以让我们精确地看到每一种细胞在胚胎中的相对分布位置。将空间位置信息与细胞类群信息、基因表达信息相结合，让我们能够更加精确地定义不同的细胞类型，并且分析其与周围细胞的作用关系。以中胚层细胞的形成为例，目前中胚层的迁移过程尚不清楚。4 O9 L: u5 o9 ]5 c0 n
在这项研究中，借助3D重构胚胎，依据空间位置和特征基因进行分析，研究者发现在原条位置上，各类中胚层亚群，包括轴向中胚层（Axial Mesoderm）、近轴中胚层（Paraxial Mesoderm）、中间中胚层（Intermediate Mesoderm）、侧板中胚层（Lateral Plate Mesoderm）、以及胚外中胚层前体细胞（Extraembryonic Mesoderm progenitor）等，沿着头端自尾端（A-P轴）的方向顺利排列。这表明中胚层很有可能在尚未迁出原条时就已经发生了细胞命运决定，并依据决定好的命运迁移到相应位置上。该工作填补了原肠胚阶段人类胚胎各细胞谱系发育知识空白。
8 E6 U1 E' {4 ^7 _; y6 n更重要的是，3D重构的空间位置信息使得研究者们可以去探索原肠运动过程中另外一个重要的事件，即体轴形成。哺乳动物的躯体有三条体轴：头-尾轴（A-P），背-腹轴（D-V），以及左-右轴（L-R），各种组织器官沿其依序排列。我们已知在脊椎动物胚胎发育过程中，主要依赖于一类被称为组织中心（Organizer）的细胞作用，令躯体三条体轴逐渐建立。
8 S. Q& @: t5 q, N' L# _) ?3 f该研究中关注了七条发育过程中的重要细胞信号通路（FGF/WNT/TGF-β/SHH/NODAL/BMP/RA pathway），并整合空间分布信息，分析了在轴向建立的过程中信号配受体等的表达情况，发现在该时期人类胚胎尾部很可能存在一个和中部脊索类似的组织中心，为窥探人类极早期胚胎发育打开了一扇全新的大门。
5 a9 ~8 s/ j: k, _鉴于3D模型以论文图片形式展示的挑战，为了便于更多读者理解和使用研究结果，论文作者们还同时建立并发布了可互动共享网站：cs8.3dembryo.com' i8 r: V* X' J" q
中国科学院动物研究所和北京干细胞与再生医学研究院于乐谦研究员、郭靖涛研究员、中国农业大学魏育蕾教授及中国科学院动物研究所王晓琰博士为该论文的通讯作者，中国科学院动物研究所和北京干细胞与再生医学研究院的王红梅研究员为资深作者。6 j! Q# c- J& {2 Q4 f! _" I
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