CELL RESEARCH | 徐成冉課題組解析哺乳動物早期內(nèi)胚層特化和軸向形成模式，揭示胰腺祖細胞新起源
哺乳動物胚胎在早期胚胎發(fā)育中形成外、中、內(nèi)三個胚層，其中內(nèi)胚層主要發(fā)育成消化和呼吸器官。了解內(nèi)胚層的時空發(fā)育路徑，不僅對于揭示內(nèi)胚層來源器官的譜系發(fā)生和分子調(diào)控機制至關(guān)重要，也對利用人多能性干細胞定向分化，構(gòu)建各類內(nèi)胚層來源的器官具有重要的指導意義。
2020年10月26日，Cell Research在線發(fā)表了來自北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯(lián)合中心徐成冉課題組的題為“Single-cell patterning and axis characterization in the murine and human definitive endoderm”的研究論文（https://doi.org/10.1038/s41422-020-00426-0），該研究結(jié)合早期胚胎顯微解剖、單細胞轉(zhuǎn)錄組分析、成像分析以及遺傳學追蹤等手段揭示了哺乳動物內(nèi)胚層細胞早期的細胞特化模式、發(fā)育路徑以及軸向（前-后、腹-背和中間-兩側(cè)）建立的調(diào)控機制。
經(jīng)典的理論認為早期內(nèi)胚層劃分為前腸、中腸和后腸3大區(qū)域，然而區(qū)域邊界并不清晰。該研究通過精確的顯微解剖，分離出特定位置的小鼠內(nèi)胚層組織，隨后進行高精度單細胞轉(zhuǎn)錄組測序。通過基于基因共表達網(wǎng)絡(luò)的多層分類算法，根據(jù)核心調(diào)控基因鑒定出內(nèi)胚層細胞的不同類群，進一步結(jié)合內(nèi)胚層組織的空間信息和標志基因的原位雜交，確定內(nèi)胚層中主要細胞類群的空間分布。根據(jù)細胞整體分子特征，本研究發(fā)現(xiàn)了一類有別于其他三類（前腸、中腸和后腸）基因調(diào)控模式的第四類細胞類群，該類群位于內(nèi)胚層的“前唇部”，因此命名為“前唇細胞”。此外，利用精確的空間信息，本研究首次明確了四大區(qū)域清晰的邊界。
圖1單細胞轉(zhuǎn)錄組分析鑒定出四個主要的內(nèi)胚層細胞類群。
隨后，通過基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析，進一步將內(nèi)胚層4大類群細分為13類亞群，并確定了其空間分布。依此在三維水平上確定了小鼠內(nèi)胚層的軸向，揭示了各個軸向特異的調(diào)控因子和細胞信號。該研究發(fā)現(xiàn)Hedgehog通路富集在內(nèi)胚層前段背側(cè)，在內(nèi)胚層組織體外培養(yǎng)時抑制Hedgehog信號通路會促進細胞向腹側(cè)細胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變。基于內(nèi)胚層各個細胞類群的空間分布和發(fā)育路徑，該研究提出了“中線特化”的假說：在內(nèi)胚層發(fā)育的過程中，背側(cè)和腹側(cè)的中線受到了多種信號的誘導，特化成沿著內(nèi)胚層前后分布的中線區(qū)域，這些中線區(qū)域在很大程度上奠定了內(nèi)胚層發(fā)育成背腹側(cè)胰腺、肝臟、甲狀腺、氣管/肺等消化道附屬器官的基礎(chǔ)。
圖2小鼠內(nèi)胚層細胞的空間軸向分布。
該研究通過比較不同發(fā)育階段的小鼠內(nèi)胚層圖譜，進一步揭示了內(nèi)胚層形成的時空發(fā)育路徑。發(fā)現(xiàn)內(nèi)胚層先建立前腸和中后腸兩個區(qū)域，然后形成前腸，前唇，中腸和后腸4個主要細胞類群，進而特化成特定器官區(qū)域，以上信息為研究器官祖細胞起源和調(diào)控機制奠定了堅實的基礎(chǔ)。
隨后，該課題組對胰腺早期分化路徑進行了詳細研究。此前，領(lǐng)域內(nèi)普遍認為胰腺有兩個內(nèi)胚層起源，分別位于背腹側(cè)前腸區(qū)域。但通過單細胞發(fā)育路徑分析、體外成像追蹤數(shù)據(jù)分析和遺傳追蹤，該研究確定了胰腺祖細胞共起源于中腸內(nèi)胚層，隨后分別沿著背側(cè)和腹側(cè)路徑分化成相同的胰腺祖細胞類型。因此，該研究推翻了“胰腺起源于兩個前腸內(nèi)胚層區(qū)域”的論斷，確定了的胰腺祖細胞來自中腸內(nèi)胚層的發(fā)育路徑。
圖3內(nèi)胚層和胰腺祖細胞的發(fā)育路徑。
該研究還分析了人胚胎內(nèi)胚層細胞的空間分布和軸向相關(guān)基因和細胞信號，發(fā)現(xiàn)內(nèi)胚層細胞發(fā)育路徑在人和小鼠中基本保守，但可能由于胚胎發(fā)育速度不同，兩個物種中不同分區(qū)發(fā)育的程度存在一些差異。
這些結(jié)果從分子層面解析了早期內(nèi)胚層精確的時空分化過程，揭示了內(nèi)胚層的特化模式，為優(yōu)化人類多能性干細胞在體外向特定器官細胞分化奠定了扎實的發(fā)育生物學基礎(chǔ)。
圖4 主要發(fā)現(xiàn)小結(jié)。
北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯(lián)合中心徐成冉研究員為本文的通訊作者，北京大學生命科學學院、前沿交叉學科研究院博士后李林宸（現(xiàn)為北京協(xié)同創(chuàng)新研究院助理研究員）、生命科學學院博士生王信、許子然和海淀婦幼保健院王燕春醫(yī)生為共同第一作者，北京大學馮燁博士、博士生楊柳、邱偉林博士、楊李博士和于欣欣博士以及北京協(xié)同創(chuàng)新研究院顧軍教授也為該課題做出了重要貢獻。該課題得到了國家重點研發(fā)計劃、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、國家自然科學基金及北大-清華生命科學聯(lián)合中心的資助。
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