記者從復(fù)旦大學(xué)附屬婦產(chǎn)科醫(yī)院獲悉，由中國(guó)科學(xué)院院士黃荷鳳領(lǐng)銜，研究團(tuán)隊(duì)繪制出了全球首張人類(lèi)胚胎早期器官發(fā)生階段時(shí)空動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄全景圖。研究成果發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》。

長(zhǎng)期以來(lái)，受精后第4周至第8周的人類(lèi)胚胎發(fā)育階段被視為“認(rèn)知盲區(qū)”——既難以在體外培養(yǎng)獲得該時(shí)期的胚胎，也無(wú)法通過(guò)影像學(xué)手段獲取類(lèi)似胎兒發(fā)育的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。然而，這一階段的分子調(diào)控與人類(lèi)對(duì)自身發(fā)育的認(rèn)知密切相關(guān)，同時(shí)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(lái)測(cè)序技術(shù)不斷進(jìn)步，針對(duì)該階段胚胎轉(zhuǎn)錄特征的系統(tǒng)性、連續(xù)性時(shí)空解析數(shù)據(jù)仍極為稀缺。

5月27日，復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)與華大生命科學(xué)研究院基因組多維解析技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)通過(guò)整合高分辨空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)Stereo-seq與單核RNA測(cè)序（snRNA-seq），首次系統(tǒng)繪制了覆蓋原腸胚運(yùn)動(dòng)后、器官形成關(guān)鍵期（Carnegie stage 12–23，受精后約4至8周）的人類(lèi)全胚胎時(shí)空轉(zhuǎn)錄組圖譜。這是全球首個(gè)人類(lèi)胚胎早期器官發(fā)生階段時(shí)空轉(zhuǎn)錄全景圖，標(biāo)志著人類(lèi)對(duì)早期器官發(fā)生的認(rèn)知，從零散的切片觀察邁入整體、動(dòng)態(tài)、分子化的全景解析新階段。

研究團(tuán)隊(duì)將Stereo-seq與DNBelab C4液滴微流控單核RNA測(cè)序技術(shù)聯(lián)用，通過(guò)捕獲細(xì)胞核內(nèi)mRNA進(jìn)行分析，有效規(guī)避了胚胎組織解離過(guò)程中可能引入的轉(zhuǎn)錄偏差，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全胚胎及多種細(xì)胞類(lèi)型的高覆蓋度解析。在數(shù)據(jù)分析層面，團(tuán)隊(duì)建立了一套標(biāo)準(zhǔn)化分析流程（SAW），涵蓋圖像配準(zhǔn)、空間條形碼解碼及基因表達(dá)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(shí)獲取空間位置信息與細(xì)胞狀態(tài)動(dòng)態(tài)，系統(tǒng)回答了“哪些細(xì)胞在何時(shí)何地、受何基因驅(qū)動(dòng)”的核心科學(xué)問(wèn)題。

黃荷鳳院士介紹，研究系統(tǒng)分析了13枚覆蓋CS12至CS23階段的人類(lèi)胚胎，結(jié)合77張矢狀切面，共解析出50個(gè)器官或解剖區(qū)域及198個(gè)分子定義的亞結(jié)構(gòu)。心臟分區(qū)、腦區(qū)細(xì)化、肝、肺、腎、骨骼、脊髓、肌肉等器官的建立過(guò)程首次被置于統(tǒng)一的時(shí)空坐標(biāo)體系下，為理解人類(lèi)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(tuán)隊(duì)對(duì)心臟竇房結(jié)——心臟的“天然起搏器”——進(jìn)行了精細(xì)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(guò)斑馬魚(yú)及小鼠在體功能實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這些分子在起搏細(xì)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(jī)制提供了全新線索。此外，研究首次系統(tǒng)描繪了該時(shí)期人腦的精細(xì)分子分區(qū)，并更新了抑制性與興奮性神經(jīng)元的分化時(shí)序：抑制性神經(jīng)元標(biāo)志物在CS12–13階段即已出現(xiàn)，而興奮性神經(jīng)元標(biāo)志物在CS19階段已被檢測(cè)到，早于傳統(tǒng)認(rèn)知。以HMGA2為核心的神經(jīng)前體細(xì)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(duì)病原體的入侵受體在全胚胎的時(shí)空分布進(jìn)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(xì)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(gè)疾病相關(guān)基因在人類(lèi)與小鼠胚胎中存在表達(dá)時(shí)程差異，提示模式動(dòng)物在模擬某些人類(lèi)發(fā)育疾病時(shí)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(lèi)胚胎發(fā)育期間的等位基因不平衡表達(dá)圖譜，在驗(yàn)證已知印記基因分布的同時(shí)，識(shí)別出一批呈非雙等位表達(dá)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(dá)模式，也為探究發(fā)育疾病的印記異常提供了直接的時(shí)空參照。

這項(xiàng)研究填補(bǔ)了人類(lèi)胚胎早期器官發(fā)生階段的知識(shí)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(cè)等提供了關(guān)鍵分子坐標(biāo)。

誠(chéng)如審稿人所言，這是一份“全球科學(xué)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(lèi)對(duì)自身發(fā)育的認(rèn)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。

記者 / 邵林峰 瞿煌俊

編輯 / 樊陸佳

圖片 / 邵林峰 瞿煌俊

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