清華新聞網(wǎng)1月11日電 前后軸（anterior-posterioraxis，APaxis）建立是哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育中的重要事件，該過(guò)程的異常將導(dǎo)致胚胎著床后發(fā)育失敗與流產(chǎn)。著床后，小鼠胚胎遠(yuǎn)端內(nèi)臟內(nèi)胚層（Distal visceral endoderm, DVE）從遠(yuǎn)端向胚胎單側(cè)遷移，而后定位于胚胎前側(cè)，形成前內(nèi)臟內(nèi)胚層（Anterior visceral endoderm，AVE）。AVE釋放的信號(hào)分子作用于臨近的上胚層（epiblast，EPI），促進(jìn)其特化具有胚胎體前側(cè)的特征，而對(duì)側(cè)EPI由于遠(yuǎn)離AVE信號(hào)而特化形成原條，至此胚胎前后軸正式建立。DVE和AVE作為前后軸形成過(guò)程中的關(guān)鍵細(xì)胞群體，經(jīng)典理論傾向于認(rèn)為它們是細(xì)胞遷移過(guò)程中同一類(lèi)細(xì)胞的先后兩種狀態(tài)，即DVE是AVE的前體細(xì)胞；近年來(lái)也有研究提出DVE和AVE是同時(shí)存在的兩類(lèi)不同的細(xì)胞，且AVE可能來(lái)源于非DVE細(xì)胞。為此，DVE和AVE具體的起源和特化模式，以及對(duì)應(yīng)的分子調(diào)控規(guī)律有待進(jìn)一步揭示。
1月9日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院周帆課題組在《發(fā)育細(xì)胞》（Developmental Cell）期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為“跨物種解析哺乳動(dòng)物前后軸發(fā)生” （Decoding anterior-posterior axis emergence among mouse, monkey, and human embryos）的研究論文。該研究結(jié)合高精度組學(xué)與擬時(shí)分析，空間分布驗(yàn)證等體系，發(fā)現(xiàn)小鼠前后軸形成的關(guān)鍵細(xì)胞群體DVE和AVE具有各自獨(dú)立的起源與發(fā)育軌跡；跨物種對(duì)比顯示非人靈長(zhǎng)類(lèi)與人類(lèi)胚胎前后軸形成過(guò)程中則僅含有AVE細(xì)胞；現(xiàn)有基于干細(xì)胞誘導(dǎo)/重構(gòu)的類(lèi)胚胎模型中不含有前后軸相關(guān)細(xì)胞群體。
為解析胚胎前后軸形成過(guò)程中兩個(gè)關(guān)鍵細(xì)胞群體的起源與發(fā)育模式，作者結(jié)合單細(xì)胞組學(xué)分析與擬時(shí)預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)小鼠胚胎前后軸形成過(guò)程中DVE與AVE具有獨(dú)立的著床前起源，并且在著床后沿著各自的發(fā)育軌跡逐漸成熟和特化。結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄組和新標(biāo)志基因挖掘，作者發(fā)現(xiàn)兩群細(xì)胞從著床前的囊胚階段開(kāi)始，共經(jīng)歷了4個(gè)代表性階段：pro-DVE -> pre-DVE -> early-DVE -> late-DVE；pro-AVE -> pre-AVE -> early-AVE -> late-AVE，各個(gè)階段細(xì)胞群體具有獨(dú)特的基因表達(dá)模式。為了鑒定DVE與AVE在發(fā)育過(guò)程中的空間分布特點(diǎn)，作者結(jié)合新鑒定的標(biāo)志分子、全胚胎免疫熒光成像和已發(fā)表的空間轉(zhuǎn)錄組挖掘，發(fā)現(xiàn)多個(gè)階段的DVE或AVE群體能被原位識(shí)別與標(biāo)記，且具有不同的定位與分布規(guī)律。進(jìn)一步，不同物種間細(xì)胞群體的基因表達(dá)譜對(duì)比分析顯示，與小鼠不同，非人靈長(zhǎng)類(lèi)和人類(lèi)胚胎中僅存在A(yíng)VE相關(guān)群體，這暗示不同物種的前后軸相關(guān)群體與特化模式可能存在較大差異。
近年來(lái)，基于干細(xì)胞多能性與自組裝特性構(gòu)建的類(lèi)胚胎體系為人類(lèi)胚胎研究帶來(lái)了新思路。另一方面，類(lèi)胚胎在體外培養(yǎng)中呈現(xiàn)一定程度的著床后發(fā)育瓶頸，而前后軸形成是圍著床期胚胎正常發(fā)育的前提。為查看類(lèi)胚胎中是否存在前后軸特化潛能的細(xì)胞群體，作者通過(guò)進(jìn)一步的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，與人類(lèi)自然囊胚不同，當(dāng)前基于干細(xì)胞構(gòu)建的人類(lèi)類(lèi)囊胚(blastoid)并不含有DVE或AVE前體細(xì)胞。該結(jié)果暗示在誘導(dǎo)類(lèi)胚胎的過(guò)程和體系中，關(guān)注和加入具有前后軸潛能的關(guān)鍵前體細(xì)胞，可能是優(yōu)化類(lèi)胚胎體系和提升著床后發(fā)育潛能的潛在策略。
結(jié)合時(shí)空轉(zhuǎn)錄組學(xué)與原位空間分布驗(yàn)證，多角度解析哺乳動(dòng)物前后軸發(fā)生
綜上所述，這項(xiàng)研究在基因表達(dá)維度上定義了胚胎前后軸發(fā)生過(guò)程中關(guān)鍵群體DVE和AVE的發(fā)育全過(guò)程：這兩群細(xì)胞很可能起源于著床前的囊胚階段，隨后沿著各自獨(dú)立的發(fā)育路徑特化，且分別經(jīng)歷了多個(gè)代表性階段。相比小鼠，靈長(zhǎng)類(lèi)胚胎則只含有AVE，現(xiàn)有小鼠和人類(lèi)胚胎模型缺失DVE或（和）AVE相關(guān)譜系。這項(xiàng)研究揭示了哺乳動(dòng)物胚胎前后軸形成過(guò)程中關(guān)鍵譜系的起源與特化規(guī)律，為深入理解圍著床胚胎發(fā)育與分子調(diào)控模式提供了線(xiàn)索與依據(jù)。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院助理教授周帆為本文通訊作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院科研助理朱慶元、2020級(jí)博士生葛吉濤和2021級(jí)博士生劉瑩為并列第一作者，參與該工作的還有博士后徐嘉雯和2020級(jí)博士生鄢勝鎰。清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)、清華大學(xué)尼康影像中心為本研究提供了設(shè)備或技術(shù)支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2022.12.004
供稿：生命學(xué)院
編輯：李若夢(mèng)
審核：周襄楠
