編輯丨王多魚

排版丨水成文

生命從一個受精卵開始，如何在短短數周內分化出復雜精密的器官系統？這是發育生物學中最引人入勝的謎題之一。原腸胚形成后至第 8 周，胚胎進入器官發生的“黃金窗口期”——心臟開始跳動，神經管閉合，肝臟、肺和腎臟等臟器雛形相繼建立。這一過程一旦出現偏差，就可能導致先天性心臟病、神經管畸形等出生缺陷。然而，受限于技術手段，科學家一直難以在保留空間位置信息的前提下，全景式地觀察這一階段全胚胎的基因表達動態。如今，中國科學家在這一領域邁出了關鍵一步。

2026 年 5 月 27 日，復旦大學附屬婦產科醫院、華大生命科學研究院基因組多維解析技術全國重點實驗室、浙江大學醫學院等團隊聯合攻關，在國際頂尖學術期刊Nature上發表了題為：Spatiotemporal transcriptome atlas of human embryos after gastrulation（人類胚胎原腸胚形成后的時空轉錄組圖譜）的研究論文。

研究團隊依托華大自主研發的時空組學技術Stereo-seq和單細胞建庫平臺DNBelab C4，成功繪制全球首個人類胚胎原腸胚形成后（受精后 4-8 周）全器官高精度時空轉錄組圖譜。

該研究首次在全胚胎尺度揭示了 50 個器官、198 個精細亞結構的發育密碼，重新定義了人類早期神經發生的時間線，發現了調控心臟起搏與大腦發育的全新分子開關。這是人類迄今最完整、最精準的早期胚胎發育參照藍圖，不僅為破解先天性疾病、發育性疾病提供了前所未有的分子靶點，也為未來器官再生、干細胞治療等前沿醫學研究拓寬了新路徑。

受精后 4-8 周的胚胎體型只有米粒到蠶豆大小，但細胞數量卻從數百萬增長至上億級。細胞一邊快速增殖，一邊精準定位、分化分工、定向遷移，要理解這一過程，精準測定每個細胞的空間定位與基因表達水平尤為關鍵。

得益于華大時空組學技術 Stereo-seq 納米級分辨率和厘米級全景視場的優勢，研究團隊首次構建了全尺度整合的人類胚胎發育與器官發生圖譜，刻畫了心臟、大腦、腎臟等關鍵器官的早期發育調控程序。這份跨發育階段的動態圖譜，讓科學家以超高清視角“看清”胚胎里的每個細胞在哪、做什么、受誰指揮。

全新發現人類心臟跳動的關鍵基因

心臟是胚胎發育過程中最早形成并開始工作的器官，小小的心跳，是生命最初的律動。而位于右心房上部的竇房結，便是掌控心臟規律搏動的“總指揮”。

基于本次構建的超高精度全景圖譜，研究團隊在人類胚胎心臟中精確定位了竇房結的分子微環境。除了驗證已知的起搏細胞關鍵基因 SHOX2 外，研究團隊首次鑒定出調控人類心臟自主節律的全新關鍵基因——KIAA1324L和RORA。

研究團隊通過斑馬魚實驗，證實了抑制這些基因的表達會顯著減少起搏細胞數量并降低心率。這一發現解析了人類心臟起搏系統建立的核心機制，為先天性心律失常的病理研究提供了全新潛在靶點。

揭示人類大腦發育的關鍵“開關”

人類之所以擁有更高智商、更發達的大腦皮層，離不開大腦內部精密而復雜的神經網絡。其中，抑制性神經元是大腦神經調控的關鍵細胞，其功能異常與癲癇、自閉癥等多種神經系統疾病密切相關。

研究團隊發現，抑制性神經元標記物在胚胎極早期（受精后 4 周）即已出現，明顯早于學界以往認知。這一新發現，為科學界重新認識早期神經發育提供了重要依據。

在此基礎上，研究團隊鎖定了調控人類大腦皮層發育的關鍵基因HMGA2，揭示了該基因對于維持放射狀膠質細胞的干性具有核心開關作用，其可通過復雜的調控網絡抑制神經元過早成熟，以保證有足夠的神經細胞用于大腦皮層構建。

此外，研究團隊還發現，HMGA2 基因的空間表達模式呈現出獨特的人鼠差異，可能為部分解釋人類為何擁有遠超小鼠的發達大腦皮層提供了分子機制。HMGA2 的下游靶基因網絡還與智力發育遲滯等疾病顯著相關，為相關疾病的發病機制提供了新的分子線索。

解析眼和腎臟的細胞譜系分化過程

人體各器官的精準分化，是胚胎發育的核心環節。研究團隊進一步解析了眼與腎臟這兩個高精度器官的細胞譜系分化過程。

在眼發育中，研究團隊捕捉到視網膜祖細胞的命運分化節點，其一部分分化為黑色素細胞，通過支持和保護機制?維持感光結構的正常功能；一部分分化為神經源性細胞，參與視覺信號的傳遞與處理。

研究顯示，MITF、ISL1 和 KLF7 等轉錄因子的調控活性在時空上呈現出精確的交替變化，分別調控視網膜色素層與視網膜神經節細胞的分化走向。這種精細的調控子活性圖譜，為理解先天性眼發育畸形提供了細胞層面病因的依據。

在腎臟發育中，研究團隊重建了腎單位祖細胞的三維分化軌跡，看清它如何一步步變成間質細胞、足細胞、近/遠端小管。此外，研究發現 HNF1B 和 MAFB 等關鍵因子，在腎臟不同的精細亞結構中，其活性強弱、分布范圍存在明顯差異，且各自集中在特定的區域中。這表明器官發生并非一蹴而就，而是一場高度有序、空間特異的基因調控接力賽。???

提示“胚胎發育-先天疾病”關聯機制

這份時空圖譜還展現出對于胚胎發育與疾病機制關聯研究的重大價值。借助該圖譜，研究團隊系統揭示了多個與健康息息相關的關鍵發現：

系統描繪了多種病毒受體基因的空間表達位置，提示胚胎早期感染疾病的易感時期與對應器官；

• 將 1740 個已知致病基因投射到這份時空圖譜上，清晰呈現先天性白內障、心肌病、智力障礙等 11 種主要疾病大類對應的易感器官和發育時期；

• 系統描繪多種發育疾病基因的胚胎空間表達特征；

• 揭示 ARG1 和 CCBE1 等基因在人類與小鼠之間的時空表達差異，強調人類特異性發育參照的重要性；

• 構建全胚胎等位基因不平衡表達圖譜，鑒定 452 個相關基因，拓展對基因印記表達與發育功能的認識。
  

可以說，這份胚胎發育時空圖譜，不僅幫助解讀胚胎發育奧秘，更是一份精準的“人類疾病導航圖”，為先天疾病的早期排查、病因分析提供了堅實的科學依據。

基于單細胞與時空組學技術，該研究攻克了人類胚胎早期器官發生研究難以精細空間定位的難題，并建立起一套從分子、細胞到器官、跨物種，甚至涵蓋親本等位基因調控的全層級發育調控理論框架。這一成果為未來的先天性出生缺陷篩查、胎兒組織工程以及類器官體外培養優化提供了迄今為止最為詳盡的標準參照藍圖。目前，相關交互式數據已公開至數據庫 HESTA（https://db.genomics.cn/hesta/）。

值得關注的是，該研究再次展現了華大自主研發時空組學技術 Stereo-seq 在大尺度、高分辨率生命圖譜解析中的核心優勢。近年來，該技術已被成功應用于胚胎發育、生命演化、腦科學、疾病病理、植物研究等多個領域，研究成果相繼發表于Cell、Science與Nature。隨著時空組學進入從圖譜構建邁向機制解析的新階段，Stereo-seq 正逐步成為解析復雜生命過程、推動發育生物學與精準醫學研究的重要基礎技術平臺。

復旦大學附屬婦產科醫院潘潔雪副教授、華大生命科學研究院基因組多維解析技術全國重點實驗室李月嬌博士、浙江大學附屬婦產科醫院林忠亮博士、基因組多維解析技術全國重點實驗室蘭青博士和張穎博士、上海交通大學醫學院附屬國際和平婦幼保健院陳慧汐博士、復旦大學附屬婦產科醫院博士研究生隋盛威、基因組多維解析技術全國重點實驗室翟曼碩士、復旦大學附屬婦產科醫院博士研究生張杲琛為論文共同第一作者。黃荷鳳院士、華大生命科學研究院基因組多維解析技術全國重點實驗室徐訊研究員，復旦大學附屬婦產科醫院丁國蓮教授、華大生命科學研究院基因組多維解析技術全國重點實驗室高雅副研究員、復旦大學附屬婦產科醫院楊紅波研究員、華大基因趙立見研究員為論文共同通訊作者。該研究嚴格遵循相關倫理規范。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10545-0