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1月10日，北京理工大學肖振宇副教授、中國科學院動物研究所郭靖濤研究員、中國農業大學魏育蕾教授、及中國科學院動物研究所于樂謙研究員合作在Nature Cell Biology上發表文章《Spatial Transcriptomic Characterization of a Carnegie Stage 7 Human Embryo》。這項研究將有助于進一步解讀人類早期原腸胚發育與細胞譜系特化的分子機制。北京理工大學副教授肖振宇為本文的共同通訊作者，碩士楊曉龍、博士謝鑫煒為共同第一作者。北京理工大學為共同通訊單位。

人的生命始于精子與卵子融合形成受精卵，進一步發育形成囊胚，之后經過原腸運動起始早期器官形成的進程。人類原腸胚形成始于胚胎第14-15天（Carnegie stage，CS6-7），在約第21天（CS9）結束【1】，最終形成三胚層原腸胚。然而，早期原腸胚形成的研究仍較為有限。最近，同一研究團隊對人類CS8胚胎進行研究【2】，但許多早期原腸胚事件與細胞特化等已在更早階段發生。當前唯一可用的關于人類早期原腸胚的數據集是CS7階段的單細胞轉錄組數據【3】，但缺乏精確空間信息。人類早期原腸運動決定了細胞如何遷移、定位和分化，形成正常器官系統，深入探討這些分子規律，為揭示發育異常和先天性畸形的根源提供理論基礎，提升對人類健康和疾病治療的理解。

為解決上述重大科學問題，該研究團隊基于CS7完整人類胚胎，利用連續橫斷面（transverse plane）高分辨空間轉錄組切片，結合深度學習算法進行三維對齊，重構了首個帶有不同細胞類型與基因表達的數字3D人類原腸胚模型。

本工作結合空間位置與DEG對胚胎結構細胞進一步分群，發現原腸運動原條細胞可細分出包括軸向中胚層、表達近軸中胚層、側板中胚層/胚外中胚層前體細胞等類群。此外，前內臟內胚層(Anterior Visceral Endoderm, AVE)的遷移行為對于確定胚胎的前后軸向至關重要，還具有限制原條在胚胎對側形成的能力【4】。本研究首次在人胚胎中證明了AVE的存在，并與鼠、猴等物種跨物種比較，發現其特征marker的保守性。

該研究還探討了人類原始生殖細胞（Primordial Germ Cells，PGCs）的空間分布與分子特性。通過與體內PGCs、體外人類原始生殖細胞樣細胞（Human Primordial Germ Cell-like Cells，hPGCLCs）對比，驗證了CS7和CS8的PGCs在轉錄組特征上與hPGCLCs高度相似，進一步揭示了體內和體外PGCs在發育過程中的分子變化。

鑒于3D模型難以論文圖片形式展示，為了便于更多讀者理解和使用研究結果，建立并發布了可互動共享網站：cs7.3dembryo.com. 這項研究推動了領域對人類原腸胚發育的理解，并為未來早期人類發育研究提供了寶貴的數據集。

人類早期原腸運動胚胎結構與譜系特化分析。

A. CS7胚胎空間轉錄組測序樣本形態與重構模型。B. 免疫熒光染色驗證CS7胚胎胚層結構。C. 結合體內PGCs與hPGCLCs的Monocle2擬時序分析。D. C中不同細胞聚類關系的分支與相似程度。E. Monocle2進行PGCs模式基因富集的擬時序分析。

論文的第一單位為中科院動物所器官再生與智造重點實驗室，第三單位為北京理工大學生命學院。本研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會啟動資金等基金的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41556-024-01597-3

1. Bergmann, S., Penfold, C. A., Slatery, E., Siriwardena, D., Drummer, C., Clark, S., Strawbridge, S. E., Kishimoto, K., Vickers, A., Tewary, M., Kohler, T. N., Hollfelder, F., Reik, W., Sasaki, E., Behr, R., & Boroviak, T. E. (2022). Spatial profiling of early primate gastrulation in utero.  Nature , 609(7925), 136–143. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04953-1.

2. Xiao, Z., Cui, L., Yuan, Y., He, N., Xie, X., Lin, S., Yang, X., Zhang, X., Shi, P., Wei, Z., Li, Y., Wang, H., Wang, X., Wei, Y., Guo, J., & Yu, L. (2024). 3D reconstruction of a gastrulating human embryo.  Cell , 187(11), 2855–2874.e19. https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.03.041.

3. Tyser, R. C. V., Mahammadov, E., Nakanoh, S., Vallier, L., Scialdone, A., & Srinivas, S. (2021). Single-cell transcriptomic characterization of a gastrulating human embryo.  Nature , 600(7888), 285–289. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04158-y.

4. Zhu Q, Ge J, Liu Y, Xu JW, Yan S, Zhou F. Decoding anterior-posterior axis emergence among mouse, monkey, and human embryos.  Dev Cell . 2023 Jan 9;58(1):63-79.e4. doi: 10.1016/j.devcel.2022.12.004. PMID: 36626872.