編輯丨王多魚

排版丨水成文

發育生物學的先驅之一，劉易斯·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。在本階段中，只有一層細胞的囊胚會發生重組，形成一個含有三個胚層（即外胚層ectoderm、中胚層mesoderm、內胚層endoderm）的結構，而新形成的三個胚層細胞會組合并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。

出于生命倫理的考慮，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后14-21天之間，因此被認為是人類發育的“黑匣子”。盡管基于多能干細胞體外構建的類胚胎結構能在一定程度上幫助我們認識這個過程，然而受限于技術限制，目前類胚胎并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景觀對理解早期胚胎發育異常導致的流產和胎兒疾病的發病機制有深遠的臨床意義，并能為體外類胚胎模型的構建提供藍圖。

為了精準地描述不同發育時期人類胚胎特征，上世紀早期來自美國卡耐基研究所的科學家們將人類胚胎發育的前八周劃分為23個卡內基分期，即Carnegie stage（CS1-CS23）。原腸運動主要發生于CS7-CS8階段。

2024年4月23日，中國科學院動物研究所和北京干細胞與再生醫學研究院于樂謙研究員、郭靖濤研究員、中國農業大學魏育蕾教授及中國科學院動物研究所王曉琰博士合作，在Cell期刊發表了題為：3D Reconstruction of a Gastrulating Human Embryo 的研究論文。該論文入選了Cell日前發布的“Best of Cell 2024”榜單，該榜單展示了 2023 年底到 2024 年底這一年里在Cell期刊發表的最令人興奮的論文，共 12 篇。

該研究基于一枚珍貴的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，結合機器學習算法進行三維對齊，構建了完整胚胎中不同細胞類型與基因表達的三維空間分布點云圖，進而數字3D重構了首個完整人類原腸胚模型（圖1）。

圖1：3D重構人類CS8時期早期胚胎，CS8胚胎結構與空間轉錄組測序過程（上），3D重構點云圖與模式圖（下）

人的生命始于精子與卵子融合形成受精卵，受精卵經歷卵裂形成囊胚，囊胚在6-7天時種植到母體子宮進一步發育。第14天開始，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（Primitive Streak）。通過人類原腸胚的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布位置。將空間位置信息與細胞類群信息、基因表達信息相結合，讓我們能夠更加精確地定義不同的細胞類型，并且分析其與周圍細胞的作用關系。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。

在這項研究中，借助3D重構胚胎，依據空間位置和特征基因進行分析，研究者發現在原條位置上，各類中胚層亞群，包括軸向中胚層（Axial Mesoderm）、近軸中胚層（Paraxial Mesoderm）、中間中胚層（Intermediate Mesoderm）、側板中胚層（Lateral Plate Mesoderm）、以及胚外中胚層前體細胞（Extraembryonic Mesoderm progenitor）等，沿著頭端自尾端（A-P軸）的方向順利排列。這表明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，并依據決定好的命運遷移到相應位置上。該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。

更重要的是，3D重構的空間位置信息使得研究者們可以去探索原腸運動過程中另外一個重要的事件，即體軸形成。哺乳動物的軀體有三條體軸：頭-尾軸（A-P），背-腹軸（D-V），以及左-右軸（L-R），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，主要依賴于一類被稱為組織中心（Organizer）的細胞作用，令軀體三條體軸逐漸建立。

該研究中關注了七條發育過程中的重要細胞信號通路（FGF/WNT/TGF-β/SHH/NODAL/BMP/RA pathway），并整合空間分布信息，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。

鑒于3D模型以論文圖片形式展示的挑戰，為了便于更多讀者理解和使用研究結果，論文作者們還同時建立并發布了可互動共享網站：cs8.3dembryo.com

中國科學院動物研究所和北京干細胞與再生醫學研究院于樂謙研究員、郭靖濤研究員、中國農業大學魏育蕾教授及中國科學院動物研究所王曉琰博士為該論文的通訊作者，中國科學院動物研究所和北京干細胞與再生醫學研究院的王紅梅研究員為資深作者。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)00357-X