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Cell突破! 中国科学家首次重构高分辨率人类数字3D原肠胚!
2024-04-26 16:12

2024年4月,中国科学家在国际期刊Cell(IF=64.5)发表题为3D reconstruction of a gastrulating human embryo的文章。中国科学院动物研究所于乐谦研究员、郭靖涛研究员、王晓琰博士、中国农业大学魏育蕾教授为本文通讯作者。中国科学院动物研究所王红梅研究员为资深作者。通过构建CS8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,突破性地通过数字3D重构了首个完整人类原肠胚模型,填补了原肠胚阶段人类胚胎各细胞谱系发育知识的空白。(安诺优达有幸为该研究提供了Stereo-seq实验以及技术支持。)


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原肠胚形成,是囊胚内的胚细胞迁移、转变形成复杂精妙的多维结构的过程,它奠定了不同细胞谱系与空间模式的基石。然而,当前研究多依赖模式动物、灵长类囊胚体外培养或多能干细胞的胚胎模型,这些方法无法直接理解人类原肠胚的奥秘。同时,已有数据集缺乏空间定位信息,难以精确界定细胞亚型,实现完整定位。因此,系统性地揭示人类原肠胚形成过程中的基本细胞和分子特征,是一项艰巨而独特的挑战,亟待科学家深入探索与攻克。


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01 丰富:对CS8人类胚胎进行62张的连续切片,进行了Stereo-seq高分辨率的空间转录组研究。

02 立体:三维重构了人类CS8胚胎的3D模型,并鉴定关键位置的一系列细胞亚型。

03 系统:整体性地描绘了胚胎形态、细胞类群、空间位置和转录组特征,阐述了原肠胚形成过程中细胞发育过程、谱系轨迹变化和一系列调控活动。

04 创新:开创性地发现了CS8时期的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提供了重要窗口。


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时空组学技术Stereo-seq & DNBSEQ-T7 PE100


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01 CS8时期原肠胚的空间转录组学分析和三维重建


研究对形态完整的CS8人类胚胎沿着前后(A-P)轴进行冷冻横切,以1片为间隔,共获取62张横向切片进行Stereo-seq时空转录组实验,形成整个胚胎的空间转录组图谱。


首先,在数据处理中,研究者采用bin50(大约1个细胞)的分辨率进行下游分析,整合构建二维空间转录组图谱。


其次,通过整合差异表达基因(DEGs)、已知标记物和空间信息,研究者鉴定出13个主要簇,包括外胚层、原肠泌细胞、脊索、中胚层等。


再次,对整个样本的空间转录组进行3D重建,利用邻片转录本相似性和相邻切片中点之间的物理距离,将多张切片进行配准对齐,并为每个空间捕获点分配x-y-z三维坐标。


最后,生成不同细胞类型与基因表达的三维空间分布点云图,通过细化、增强和局部渲染着色,形成了胚胎中不同细胞类型空间域的3D模型(左右两种模型,兼容胚外组织)。

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02 细胞类型的三维空间分布和相关的分子调控网络


在3D模型中,不仅可以提取单张切片二维的转录本和细胞分布信息,还可以沿着A-P轴进行三维可视化,并验证已知标记物的三维表达模式。将基因调控富集结果映射至三维空间,关键转录因子调控原肠胚形成过程中具备着明显的空间特异模式,且这种空间特征与已知的解剖学特征高度吻合,这也揭示了原肠胚发育的复杂性。


研究者同时建立并发布了可互动共享网站:cs8.3dembryo.com,便于后续的研究者理解和使用。

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03 早期人类胚胎发育关键信号通路的空间表达模式


通过细胞通讯结合已有研究,确定不同细胞类型中动态表达的关键信号通路。值得注意的是,A-P轴的SHH信号通路、受体和辅助因子均在胚胎尾部出现了第二个表达峰,即除已有研究说明的中部高活性位点外,尾部极有可能也存在一个高活性位点。胚胎尾部可能存在新的信号源和“组织者(organizer)中心”,这为窥探人类极早期胚胎发育提供了重要窗口。

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在本研究中,通过构建完整的CS8人类胚胎3D模型,将单个细胞的空间信息与其基因表达谱相结合,系统描绘了胚胎形态、细胞类群、空间位置和转录组特征,准确注释了不同的细胞亚型,深度解析了重要胚外组织羊膜细胞发育过程和卵黄囊造血谱系特化,重点发现了参与早期发育的不同信号通路采用不同的策略沿胚胎A-P轴建立差异激活的特点。这项研究不仅可以确定人类原肠胚形成过程的关键细胞和分子特征,还可以指导今后干细胞衍生的人类胚胎模型的生成。

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