在人類胚胎發(fā)育過程中，原腸胚階段的三胚層分化以及早期神經(jīng)系統(tǒng)的啟動是至關(guān)重要的時期。三胚層的形成標志著各種器官發(fā)生的開始。隨后，經(jīng)過復雜的信號通路調(diào)控，神經(jīng)管細胞先后經(jīng)歷初級神經(jīng)形成和神經(jīng)發(fā)生過程，最終分化成復雜的神經(jīng)系統(tǒng)。王曉群課題組早期研究系統(tǒng)性的揭示了人大腦皮層、海馬、下丘腦等不同腦區(qū)的神經(jīng)干細胞多樣性和神經(jīng)發(fā)生的調(diào)控機制【1-4】，但是對于這些神經(jīng)干細胞的更早的起源、空間分布特征和分子調(diào)控機制的認識還十分有限。因此，深入探索人類三胚層的形成以及早期神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育機制對神經(jīng)科學的發(fā)展至關(guān)重要，這將為未來的研究提供重要基礎。

2023年5月15日，北京師范大學王曉群課題組、吳倩課題組，首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院王擁軍課題組，與倫敦國王學院Oscar Marin課題組合作，在Cell Stem Cell 雜志上發(fā)表了題為 The single-cell and spatial transcriptional landscape of human gastrulation and early brain development 的文章。研究團隊系統(tǒng)深入的探究了原腸胚和早期神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育階段細胞類型的多樣性，空間分布特征以及不同譜系發(fā)育軌跡的分子調(diào)控機制（圖1）。這項研究為我們深入了解器官發(fā)生以及神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和功能等重要問題提供了新的思路和啟示。

圖1: 人類原腸胚和早期神經(jīng)系統(tǒng)的時空發(fā)育機制

為了全面解析人類早期胚胎發(fā)生過程中的細胞類型多樣性，研究團隊使用了空間轉(zhuǎn)錄組學技術(shù)，將單細胞測序和空間信息相結(jié)合，系統(tǒng)性繪制了目前國際上最全面的人類早期胚胎發(fā)育的單細胞轉(zhuǎn)錄組全景圖，涵蓋從3周到12周的發(fā)育時間。

研究人員首先針對人類早期胚胎發(fā)育過程中CS10（受精后20天）三胚層分化時期的細胞類型和基因表達特征進行了深入研究。此外，通過空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，他們還揭示了神經(jīng)管細胞亞型（前中后腦以及脊髓）的空間分布、細胞通訊以及神經(jīng)管前后軸分布的相關(guān)信號通路調(diào)控。接著，他們構(gòu)建了從CS7（受精后17天）【5】到CS10（20天）原腸胚不同階段之間細胞類型的發(fā)育軌跡（圖2），并發(fā)現(xiàn)CS10時期的神經(jīng)外胚層細胞來源于CS7時期的上胚層細胞（Epiblast），而CS7時期的初始中胚層細胞會進一步分化成CS10時期的中間中胚層、軸旁中胚層、前體節(jié)中胚層以及側(cè)板中胚層。同時，他們發(fā)現(xiàn)CS7時期的高級中胚層是CS10時期的間充質(zhì)細胞和心肌細胞的祖細胞。最后，研究者總結(jié)了不同時期細胞類型之間轉(zhuǎn)化涉及的主要調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子和重要基因，這對于深入了解人類早期胚胎發(fā)育機制具有重要意義，有助于進一步深入探索胚胎發(fā)育機制（圖2）。

圖2: 原腸胚階段從CS7到CS10的細胞類型發(fā)育軌跡推斷以及調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子和基因。

研究人員重點探索了放射狀膠質(zhì)細胞（Radial glia, RG）類型的多樣性、空間分布以及多樣性產(chǎn)生的機制，這對于人類早期大腦區(qū)域化的發(fā)育至關(guān)重要。在早期神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中，研究者發(fā)現(xiàn)了24種放射狀膠質(zhì)細胞、5種中間過渡態(tài)細胞以及17種成熟神經(jīng)元細胞亞型（圖3）。通過與空間轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)的整合分析，定位了這些細胞亞型沿著神經(jīng)管分布的位置。同時，研究者揭示了在不同大腦區(qū)域放射狀膠質(zhì)細胞發(fā)育軌跡和維持細胞命運決定機制的重要調(diào)控因子。這些結(jié)果表明在大腦發(fā)育早期，不同腦區(qū)的細胞命運決定機制受到不同的分子和細胞調(diào)控模式的影響。此外，王曉群課題組前期工作揭示oRG（Outer radial glia）細胞是一種重要的神經(jīng)前體細胞類型，它們能夠產(chǎn)生多種神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞，是大腦皮層演化發(fā)展中的重要驅(qū)動力之一 【1,6】。在本研究中，他們還首次證實了oRG細胞的產(chǎn)生時間在人腦中是在PCW9。同時，研究者還發(fā)現(xiàn)WNT、MAPK、mTOR等信號通路對于oRG細胞的產(chǎn)生起著非常重要的作用。這些結(jié)果對于深入了解神經(jīng)前體細胞命運的決定機制以及人類大腦發(fā)育演化具有重要意義。

圖3:人類早期神經(jīng)系統(tǒng)的細胞亞型、分子特征、空間分布以及分化機制。
最后，通過跨物種比較分析，研究者發(fā)現(xiàn)在與嚙齒類動物相比，人類早期的后腦存在一群特有的的菱形唇細胞，這群細胞在后期的胚胎發(fā)育過程中會擴張形成特有的小腦腦室下區(qū)域 (Subventricular zone, SVZ)，這些細胞的發(fā)育異常往往會導致嚴重的小腦發(fā)育不全和Dandy-Walker畸形。然而，這些細胞的功能特異性需要更進一步的實驗驗證，這類人類特異的細胞可能對人類小腦的演化和發(fā)育有著重要的貢獻。

綜上所述，本研究系統(tǒng)性地探究了人類原腸胚和早期神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育階段的細胞類型多樣性、基因表達特征、空間分布模式以及細胞譜系發(fā)生過程的分子調(diào)控機制。這些發(fā)現(xiàn)為深入了解人類早期發(fā)育過程的調(diào)控機理以及發(fā)育異常引起的疾病機理奠定了重要基礎。此外，本研究的數(shù)據(jù)也為人體胚胎模型和不同組織的體外誘導提供了必要的參考數(shù)據(jù)。這些發(fā)現(xiàn)不僅推動了人類胚胎學研究的發(fā)展，也對未來人類發(fā)育和疾病的研究具有重要的指導意義。

北京師范大學王曉群教授和吳倩教授，首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院王擁軍教授和倫敦國王學院Oscar Marin教授為該論文的共同通訊作者。北京昌平實驗室副研究員曾博，博士后劉澤源，中科院生物物理所博士后盧玉峰，北京師范大學副研究員鐘穗娟，倫敦國王學院博士后覃深悅為該論文的共同第一作者。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.04.016

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