科學家解析早期胚胎細胞的“成長路”

來源：中科院之聲

生命個體由受精卵經胚胎髮育而來，胚胎中的細胞“世代繁衍”，最終“生成”完整的個體。探尋細胞“家族”的“族譜”，追溯它們在胚胎髮育早期的“祖先”，解析他們的“血統”，對於人們瞭解生命起源，“追蹤”疾病至關重要。

8月8日凌晨，中科院分子細胞科學卓越創新中心（生化與細胞所）景乃禾研究組與多位科學家合作，成功繪製小鼠早期胚胎髮育過程中高精度的細胞“繁衍”三維立體時空圖，爲細胞家族“尋根”。這一成果或改寫細胞“家譜”，爲幹細胞的產生來源提供新的思路，推動幹細胞治療和相關藥物篩選工作的發展。該研究發表於國際權威學術期刊《自然》。

生命作爲自然最美的傑作，其誕生過程令人着迷。在早期胚胎髮育階段，受精卵先發育成囊胚，再由囊胚形成外、中、內三個胚層。外胚層最終發育成機體的神經、皮膚等組織，中胚層發育成心臟、血液、肌肉和骨骼等組織，內胚層則發育成肺、肝、胰腺和腸等內臟器官。外、中、內三胚層的形成過程直接影響胎兒能否順利從母體誕生。而這其中，細胞如何“繁衍”，如何“分化”，又如何決定自己的命運走向並不清楚，構成生命之樹的每一個細胞從胚胎時期開始的成長脈絡仍有待揭示。

景乃禾研究團隊建立一種全新技術方法，他們分別選取小鼠早期胚胎中不同空間位置和不同發育時間的細胞進行轉錄組學分析，成功繪製了一張同時包含時間、空間信息的高精度細胞“成長軌跡”三維立體圖。科學家們可以通過這張“百科全書式”的“成長軌跡”圖追溯不同胚層細胞的“祖先”。

在一系列“追根溯源”後他們發現，原本被認爲全部由上胚層發育而來的內胚層細胞，有一部分極有可能“越過”上胚層直接來自於原始內胚層，而一些特定的原本被認爲沿不同分化路徑而來的中胚層和外胚層細胞，則可能有着共同的“前身”細胞，這些發現顛覆了人們對傳統“細胞家譜”的認知。

近年來在生物醫藥領域大放異彩的幹細胞研究中，科學家們多“遵循”細胞的“成長”路徑從多能幹細胞中分化得到該細胞的“前身”細胞，用於再生醫學與疾病相關的研究。而景乃禾研究團隊這一或將改寫細胞“族譜”的發現，有助於人們完善肝臟、胰腺、脊髓等器官中細胞的分化體系，爲未來人們分化得到這些器官中幹細胞提供了新的可能途徑，這些新發現的細胞分化路徑甚至可能比基於“傳統細胞家譜”的路徑更加高效快捷。

該成果是對經典發育生物學層級譜系理論的修正和補充，將推動早期胚胎髮育和幹細胞再生醫學相關領域的發展。

該研究主要由中科院分子細胞科學卓越創新中心（生化與細胞所）景乃禾研究組、中科院-馬普學會計算生物學夥伴研究所韓敬東研究組與中科院廣州生物醫藥與健康研究院/廣州再生醫學與健康廣東省實驗室彭廣敦研究組共同合作完成。中科院廣州生物醫藥與健康研究院彭廣敦研究員、中科院馬普計算生物學研究所索生寶博士、生化與細胞所崔桂忠博士和禹方博士爲該論文的共同第一作者，景乃禾研究員、韓敬東研究員和彭廣敦研究員爲該論文的共同通訊作者。該工作得到了中科院動物研究所周琪研究員、悉尼大學Patrick P.L。 Tam教授、生化與細胞所化學生物學技術平臺、高性能計算存儲與網絡服務平臺和動物實驗技術平臺的大力支持，獲中科院戰略性先導科技專項、國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、廣東省科學技術基金、廣州再生醫學與健康廣東省實驗室前沿探索項目、上海市自然科學基金和上海市科學技術委員會資助。