2024年4月23日，我院魏育蕾与合作团队中国科学院动物研究所于乐谦、郭靖涛团队共同在国际学术期刊《细胞》（Cell）发表文章《3D构建人类早期胚胎发育原肠胚模型》（3D Reconstruction of a Gastrulating Human Embryo）。

 人类胚胎发育分为胚胎期与胎儿期，其中胚胎期所处母亲怀孕的前8周，关键事件包括受精卵形成，原肠胚发育，各个器官的初步发育，到第8周末时，胚胎初具人形，能分辨出眼、耳、鼻、口、手指及足趾，头部占整个胎体近一半，此时心脏已形成，而各器官继续分化发育。人类早期流产及多种先天性遗传缺陷与妊娠疾病（如先天性心脏病、神经管畸形、反复妊娠失败等）多与原肠胚发育异常与相关，因此解析人类早期胚胎发育原肠胚时期对于探索生命过程，了解发育缺陷至关重要。

  对胚胎期发育更为精准的描述与规定来自上世纪早期美国卡耐基研究所。Franklin Mall等科学家将人类胚胎发育的前八周划分为23个卡内基分期，即Carnegie stage（CS1-CS23）。原肠胚阶段处于受精后第14-21天（CS5-CS8），这一阶段细胞经过胚层特化形成早期三胚层，这些细胞贡献了我们身体所有器官和系统的发育。原肠胚时期的真实胚胎由于取材难度大，样本量小等多种原因一直未能被破译。因此，如何通过少量的样本而最大程度的获取数据，以及如何通过有效的方法解析该时期的发育过程，成了近年来各国科学家不懈努力的方向。

  本研究首次解析人类胚胎前期CS8时期的人类胚胎，通过空间测序获得了胚胎的62个横断面（transverse plane）以及共38,562个数据点，以此为基础，通过数据分析与胚胎模拟，在点云数据三维构建过程中系统研究了原肠胚阶段关键胚内和胚外组织细胞谱系分化和及功能，并在RNA水平上从整个胚胎的角度关注了前后体轴的建立过程（图一）。

 原肠运动过程中，胚胎部分细胞开始移动重排，首先在胚胎尾部形成原条结构，进而形成产生外、中、内三个胚层，其中内胚层和中胚层会由原条中的细胞迁移产生，内胚层位于腹侧，中胚层位于内胚层和外胚层中间，但细胞迁移过程尚不清楚。在本工作中，利用3D重构胚胎，研究者发现中胚层很有可能在尚未迁出原条时就已经发生了细胞命运决定，分化为了轴向中胚层、近轴中胚层、中间中胚层和侧板中胚层等谱系，并依据决定好的命运迁移到相应位置上。填补原肠胚阶段人类胚胎各胚层发育知识空白。

更重要的是，3D重构的空间位置信息使得研究者们可以去探索原肠运动过程中另外一个重要的事件，即体轴形成。哺乳动物的躯体有三条体轴：头-尾轴（A-P），背-腹轴（D-V），以及左-右轴（L-R），各种组织器官沿其依序排列。我们已知在脊椎动物胚胎发育过程中，主要依赖于一类被称为组织中心（Organizer）的细胞作用，令躯体三条体轴逐渐建立。本研究中关注了七条发育过程中的重要细胞信号通路（FGF/WNT/TGF-β/SHH/NODAL/BMP/RA pathway），并整合空间分布信息，分析了在轴向建立的过程中信号配受体等的表达情况，发现在该时期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打开了一扇全新的大门。鉴于3D模型以论文图片形式展示的挑战，为了便于更多读者理解和使用研究结果，论文作者们还同时建立并发布了可互动共享网站：cs8.3dembryo.com.

综上，本研究通过解析原肠胚阶段人类胚胎发育的信息，为理解人类早期胚胎发育及相关疾病提供重要资料，也为改善不良妊娠结局奠定科学基础。此外，真实的原肠胚的挖掘使我们更多的了解该阶段细胞谱系、信号通路、精准空间位置以及胚外关键组织对原肠胚发育的作用机制，这将对研究者们在体外构建类胚胎来模拟体内发育进行指导。

北京理工大学肖振宇副教授、中科院动物所崔丽娜博士、元阳博士为本文共同第一作者，于乐谦研究员、郭靖涛研究员、魏育蕾教授等为共同通讯作者。中国农大硕士生林思睿、张鑫参与了本工作。本研究得到国家自然科学基金、畜禽生物育种全国重点实验室自主研究课题、拼多多-中国农业大学研究基金等项目支持。

原文链接：https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)00357-X