本報(bào)北京4月24日電（記者齊芳）原腸運(yùn)動(dòng)是大部分動(dòng)物胚胎發(fā)育中的一個(gè)重要階段，是生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)之一。中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所和北京干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究院、中國(guó)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，極大地推進(jìn)了人類對(duì)于生命初始如何發(fā)育的認(rèn)知。這一成果于4月23日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》發(fā)表。
生命科學(xué)中，人類胚胎發(fā)育的前八周被劃分為23個(gè)卡內(nèi)基分期（CS1-CS23），原腸運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在CS7-CS8階段，也就是受精后的14至21天之間。在這個(gè)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。
但按照生命科學(xué)研究的倫理規(guī)范，人類胚胎的體外培養(yǎng)被限制在14天內(nèi)。因此，盡管人們采取了多能干細(xì)胞體外構(gòu)建類胚胎等方法來(lái)研究原腸運(yùn)動(dòng)，卻始終沒(méi)有辦法準(zhǔn)備了解其過(guò)程，原腸運(yùn)動(dòng)也被認(rèn)為是人類發(fā)育的“黑匣子”。
成果的主要完成人、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所和北京干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究院于樂(lè)謙研究員說(shuō)：“基于一枚CS8時(shí)期完整人類胚胎，我們利用連續(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)了首個(gè)完整人類原腸胚模型。”
這讓研究者們精確地看到每一種細(xì)胞在胚胎中的相對(duì)分布位置。“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，讓我們能夠更加精確地定義不同的細(xì)胞類型，并且分析其與周圍細(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(guò)程尚不清楚。但現(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)，中胚層很有可能在尚未遷出原條時(shí)就已經(jīng)發(fā)生了細(xì)胞命運(yùn)決定，分化為了軸向中胚層、近軸中胚層、中間中胚層和側(cè)板中胚層等譜系，并依據(jù)決定好的命運(yùn)遷移到相應(yīng)位置上。”文章主要完成人之一、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所和北京干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究院郭靖濤研究員說(shuō)，“可以說(shuō)，這項(xiàng)工作填補(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。”
此外，3D重構(gòu)的空間位置信息使得研究者們可以去探索原腸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中另外一個(gè)重要的事件，即體軸形成。哺乳動(dòng)物的軀體有三條體軸：頭-尾軸，背-腹軸以及左-右軸，各種組織器官沿其依序排列。脊椎動(dòng)物在胚胎發(fā)育過(guò)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。“我們?cè)谘芯恐校P(guān)注了7條發(fā)育過(guò)程中的重要細(xì)胞信號(hào)通路，并整合空間分布信息，分析了在軸向建立的過(guò)程中信號(hào)配受體等的表達(dá)情況。我們發(fā)現(xiàn)，在該時(shí)期人類胚胎尾部很可能存在一個(gè)和中部脊索類似的組織中心。”于樂(lè)謙說(shuō)，“這為窺探人類極早期胚胎發(fā)育打開(kāi)了一扇全新的大門(mén)。”
