哺乳動物胚胎在早期胚胎發(fā)育中形成外、中、內三個胚層，其中內胚層主要發(fā)育成消化和呼吸器官。了解內胚層的時空發(fā)育路徑，不僅對于揭示內胚層來源器官的譜系發(fā)生和分子調控機制至關重要，也對利用人多能性干細胞定向分化，構建各類內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），該研究結合早期胚胎顯微解剖、單細胞轉錄組分析、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）建立的調控機制。

經典的理論認為早期內胚層劃分為前腸、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胚層組織，隨后進行高精度單細胞轉錄組測序。通過基于基因共表達網絡的多層分類算法，根據核心調控基因鑒定出內胚層細胞的不同類群，進一步結合內胚層組織的空間信息和標志基因的原位雜交，確定內胚層中主要細胞類群的空間分布。根據細胞整體分子特征，本研究發(fā)現了一類有別于其他三類（前腸、中腸和后腸）基因調控模式的第四類細胞類群，該類群位于內胚層的“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單細胞轉錄組分析鑒定出四個主要的內胚層細胞類群。

隨后，通過基因調控網絡分析，進一步將內胚層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胚層的軸向，揭示了各個軸向特異的調控因子和細胞信號。該研究發(fā)現Hedgehog通路富集在內胚層前段背側，在內胚層組織體外培養(yǎng)時抑制Hedgehog信號通路會促進細胞向腹側細胞狀態(tài)轉變?；趦扰邔痈鱾€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：在內胚層發(fā)育的過程中，背側和腹側的中線受到了多種信號的誘導，特化成沿著內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胚層發(fā)育成背腹側胰腺、肝臟、甲狀腺、氣管/肺等消化道附屬器官的基礎。

圖2小鼠內胚層細胞的空間軸向分布。

該研究通過比較不同發(fā)育階段的小鼠內胚層圖譜，進一步揭示了內胚層形成的時空發(fā)育路徑。發(fā)現內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控機制奠定了堅實的基礎。

隨后，該課題組對胰腺早期分化路徑進行了詳細研究。此前，領域內普遍認為胰腺有兩個內胚層起源，分別位于背腹側前腸區(qū)域。但通過單細胞發(fā)育路徑分析、體外成像追蹤數據分析和遺傳追蹤，該研究確定了胰腺祖細胞共起源于中腸內胚層，隨后分別沿著背側和腹側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胚層區(qū)域”的論斷，確定了的胰腺祖細胞來自中腸內胚層的發(fā)育路徑。

圖3內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胚層細胞的空間分布和軸向相關基因和細胞信號，發(fā)現內胚層細胞發(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。

這些結果從分子層面解析了早期內胚層精確的時空分化過程，揭示了內胚層的特化模式，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。

圖4 主要發(fā)現小結。

北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯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（現為北京協同創(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-清華生命科學聯合中心的資助。