北京时间2024年4月23日晚11点，中国科学院动物研究所和北京干细胞与再生医学研究院的于乐谦研究员、郭靖涛研究员、中国农业大学魏育蕾教授及中国科学院动物研究所王晓琰博士共同通讯在Cell 在线发表题为“3D reconstruction of a gastrulating human embryo”的研究论文。
该研究基于芯片技术和三维动画重构技术首次重构高分辨率人类三维数字原肠胚，填补原肠胚阶段人类胚胎发育知识空白，为理解人类早期胚胎发育及相关疾病提供重要资料，为改善不良妊娠结局奠定科学基础。
出于生命伦理的考虑，人类胚胎的体外培养被限制在14天内（即“14天规则”），而人类原肠运动发生在受精后14至21天之间，因此被认为是人类发育的“黑匣子”。由于缺乏来自自然胚胎的参考数据集，特别是那些具有原肠胚形成等关键阶段空间信息的数据集，阻碍了对早期人类发育的理解。
本研究工作中，科研人员基于一枚珍贵的CS8时期完整人类胚胎，利用连续横断面（transverse plane）高分辨空间转录组切片，结合机器学习算法进行三维对齐，构建了完整胚胎中不同细胞类型与基因表达的三维空间分布点云图，进而数字3D重构了首个完整人类原肠胚模型。
3D重构人类CS8时期早期胚胎 A：CS8胚胎结构与空间转录组测序过程；B：3D重构点云图与模式图
研究者还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、侧板中胚层以及胚外中胚层前体细胞等，并依据决定好的命运迁移到相应位置上，填补了原肠胚阶段人类胚胎各细胞谱系发育知识空白。
中胚层谱系在CS8胚胎中的发生
A：中胚层相关谱系在CS8胚胎中的3D重构；B：中胚层谱系的UMAP分群；C：中胚层谱系在DV-LR面上的分布示意图
此外， 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，背—腹轴，以及左—右轴，各种组织器官沿其依序排列。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的细胞作用，令躯体三条体轴逐渐建立。
本研究中关注了7条发育过程中的重要细胞信号通路，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。
A-P轴上各通路的信号变化和可能信号源的表征
A-E：通路配体、受体、抑制剂在A-P轴上的分布特征；F：部分配受体和抑制剂在胚胎空间上的分布；G：PGC在connecting stalk处的分布；H：notochord/connecting stalk及其信号在胚胎中的分布示意图
此次并非魏育蕾教授第一次在高质量期刊上发表“TOP级别”论文，早在2021年，魏育蕾教授便在Nature上发表封面论文，迈出了人类“人造胚胎”的第一步，见证了世界首例人造人类胚胎样结构诞生，被Science评选为当年的“十大科学突破”；2023年12月，魏育蕾教授与研究团队合作的一项研究又登上Cell，在此前研究的基础上，进一步解析了人类早期胚胎发育时期细胞的互相作用关系及机制。
魏育蕾教授生活照
成功从来不是一蹴而就，而是研究者及团队多年来的躬耕不辍。魏育蕾教授长期扎根不同物种干细胞的建系及其相关应用研究，多年如一日追逐“生命奥秘”，攀登生命发育之巅。目前，已在Nature、 Cell Stem Cell、Cell、JACS等国际知名期刊上以第一/共同第一作者、共同作者身份发表多篇论文，取得了一系列创新性研究成果。
一直以来，支撑魏育蕾教授不断向科研更高处攀登的是中国农业大学畜禽生物育种国家重点实验室。这里聚集了一群笃志研学、攻坚克难的世界一流育种创新人才团队，以破解核心种源对外依存度高的“卡脖子”问题为使命，瞄准世界畜禽育种科技发展前沿，创制出一批超高产、优质、抗病的战略性畜禽新品种，为我国成为畜禽种业强国而不懈奋斗着。
强国先强农，农大作先锋。魏育蕾教授的研究故事仍在继续，中国农业大学畜禽生物育种国家重点实验室的科研攻关将永无止境，无数中国农大科研工作者为科技强国、农业强国建设贡献智慧和力量的征途也将永不停歇！
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部分素材来源：中国农业大学生物学院官网、iNature、BioArt、深究科学、科学网、中国畜禽种业等
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