東方網(wǎng)記者劉軼琳5月28日報道：長期以來，受精后第4周至第8周的人類胚胎發(fā)育階段被視為“認知盲區(qū)”——既難以在體外培養(yǎng)獲得該時期的胚胎，也無法通過影像學手段獲取類似胎兒發(fā)育的精準數(shù)據(jù)。然而，這一階段的分子調(diào)控與人類對自身發(fā)育的認知密切相關(guān)，同時該階段的發(fā)育異常與先天性心臟病、神經(jīng)發(fā)育障礙及多種疾病的易感性密切相關(guān)。盡管近年來測序技術(shù)不斷進步，針對該階段胚胎轉(zhuǎn)錄特征的系統(tǒng)性、連續(xù)性時空解析數(shù)據(jù)仍極為稀缺。

5月27日，復(fù)旦大學、浙江大學與華大生命科學研究院基因組多維解析技術(shù)全國重點實驗室科研團隊在Nature期刊上發(fā)表了題為Spatiotemporal transcriptome atlas of human embryos after gastrulation的研究論文。研究團隊通過整合高分辨空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)Stereo-seq與單核RNA測序(snRNA-seq)，首次系統(tǒng)繪制了覆蓋原腸胚運動后、器官形成關(guān)鍵期(Carnegie stage 12–23，受精后約4至8周)的人類全胚胎時空轉(zhuǎn)錄組圖譜。這是全球首個人類胚胎早期器官發(fā)生階段時空轉(zhuǎn)錄全景圖，標志著人類對早期器官發(fā)生的認知，從零散的切片觀察邁入整體、動態(tài)、分子化的全景解析新階段。

研究團隊將Stereo-seq與DNBelab C4液滴微流控單核RNA測序技術(shù)聯(lián)用，通過捕獲細胞核內(nèi)mRNA進行分析，有效規(guī)避了胚胎組織解離過程中可能引入的轉(zhuǎn)錄偏差，實現(xiàn)了對全胚胎及多種細胞類型的高覆蓋度解析。在數(shù)據(jù)分析層面，團隊建立了一套標準化分析流程(SAW)，涵蓋圖像配準、空間條形碼解碼及基因表達矩陣生成等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該方法在同一胚胎框架下，同時獲取空間位置信息與細胞狀態(tài)動態(tài)，系統(tǒng)回答了“哪些細胞在何時何地、受何基因驅(qū)動”的核心科學問題。

本研究系統(tǒng)分析了13枚覆蓋CS12至CS23階段的人類胚胎，結(jié)合77張矢狀切面，共解析出50個器官或解剖區(qū)域及198個分子定義的亞結(jié)構(gòu)。心臟分區(qū)、腦區(qū)細化、肝、肺、腎、骨骼、脊髓、肌肉等器官的建立過程首次被置于統(tǒng)一的時空坐標體系下，為理解人類器官發(fā)生、先天性疾病的起源提供了前所未有的全景式分子地圖。

研究團隊對心臟竇房結(jié)——心臟的“天然起搏器”——進行了精細解析，研究發(fā)現(xiàn)，此前功能未知的RORA和KIAA1324L等關(guān)鍵基因在竇房結(jié)發(fā)育中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)控作用，并通過斑馬魚及小鼠在體功能實驗證實，這些分子在起搏細胞分化與心率維持中發(fā)揮必要作用，為先天性心律失常等疾病的分子機制提供了全新線索。此外，研究首次系統(tǒng)描繪了該時期人腦的精細分子分區(qū)，并更新了抑制性與興奮性神經(jīng)元的分化時序：抑制性神經(jīng)元標志物在CS12–13階段即已出現(xiàn)，而興奮性神經(jīng)元標志物在CS19階段已被檢測到，早于傳統(tǒng)認知。以HMGA2為核心的神經(jīng)前體細胞分化調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與智力障礙相關(guān)基因顯著關(guān)聯(lián)，為理解神經(jīng)發(fā)育疾病的分子基礎(chǔ)提供了新視角。

研究還首次針對病原體的入侵受體在全胚胎的時空分布進行了系統(tǒng)分析，闡明了胚胎早期感染易感性的分子基礎(chǔ)，如巨細胞病毒、寨卡病毒、乙肝病毒及SARS-CoV-2等，發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)高度器官特異性和階段特異性，為孕期感染的“窗口期效應(yīng)”提供了分子層面的解釋，展示了該成果在臨床轉(zhuǎn)化中的重要潛力。值得關(guān)注的是，研究發(fā)現(xiàn)多個疾病相關(guān)基因在人類與小鼠胚胎中存在表達時程差異，提示模式動物在模擬某些人類發(fā)育疾病時可能存在一定局限性。研究也首次在器官水平系統(tǒng)描繪了人類胚胎發(fā)育期間的等位基因不平衡表達圖譜，在驗證已知印記基因分布的同時，識別出一批呈非雙等位表達模式的候選基因，不僅描繪了印記基因在發(fā)育胚胎中的空間表達模式，也為探究發(fā)育疾病的印記異常提供了直接的時空參照。

這項研究填補了人類胚胎早期器官發(fā)生階段的知識空白，如同一張高精度導(dǎo)航圖，為理解早期胚胎器官發(fā)生、先天性疾病起源、優(yōu)化早孕期監(jiān)測等提供了關(guān)鍵分子坐標。誠如審稿人所言，這是一份“全球科學家與臨床醫(yī)生翹首以盼的杰作”。生命的“黑箱”正被逐層照亮，人類對自身發(fā)育的認知，也由此邁出了從結(jié)構(gòu)到分子、從碎片到整體的關(guān)鍵一步。