记者从中国科学院动物研究所获悉，该所与北京干细胞与再生医学研究院、中国农业大学等单位的科研人员合作，通过3D重构人类原肠期胚胎，首次揭示了人类胚胎尾端组织中心调控原肠运动。此项研究工作填补了原肠胚阶段人类胚胎各细胞谱系发育知识空白。该研究成果于北京时间4月23日在国际学术期刊《细胞》发表。

发育生物学的先驱之一，刘易斯·沃伯特（Lewis Wolpert）曾这样说：“出生、结婚、死亡都不是你一生中最重要的时刻，原肠运动才是。”原肠运动（gastrulation）是指大部分动物胚胎发育中都会经历的一个阶段。在本阶段中，只有一层细胞的囊胚会发生重组，形成一个含有三个胚层（即外胚层、中胚层和内胚层）的结构，而新形成的三个胚层细胞会组合并协调发育为各种器官。每一个胚层的细胞都能发育为特定的器官和组织。

原肠运动形成过程与中胚层的迁移路径示意图（摘自“Larsen's Human Embryology”）

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”。尽管基于多能干细胞体外构建的类胚胎结构能在一定程度上帮助我们认识这个过程，然而受限于技术限制，目前类胚胎并不能完全真实地反映胚胎发育轨迹。因此了解自然情况下胚胎原肠运动发育对理解早期胚胎发育异常导致的流产和胎儿疾病的发病机制有深远的临床意义，并能为体外类胚胎模型的构建提供蓝图。

为了精准地描述不同发育时期人类胚胎特征，上世纪早期来自美国卡内基研究所的科学家们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）。原肠运动主要发生于CS7-CS8阶段。本研究基于一枚珍贵的CS8时期完整人类胚胎，利用连续横断面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。

（上）CS8胚胎结构与空间转录组测序过程（中）3D重构点云图与模式图（下）部分细胞亚群分布、信号在A-P轴上的分布与信号源示意图

人类原肠胚的3D重构，可以让我们精确地看到每一种细胞在胚胎中的相对分布位置。将空间位置信息与细胞类群信息、基因表达信息相结合，让我们能够更加精确地定义不同的细胞类型，并且分析其与周围细胞的作用关系。以中胚层细胞的形成为例，目前中胚层的迁移过程尚不清楚。在本工作中，借助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。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。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，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。