整合转录组学和干细胞分化技术首次在体外再现了脊索的形成过程

更新时间：2025-01-06 14:42  浏览量：4

在生命演化的漫漫长河中，脊椎动物的诞生无疑是浓墨重彩的一笔，其复杂而精妙的发育过程宛如一场宏大且精密的交响乐演奏，每一个音符、每一段旋律都关乎着生命大厦的构建。而在这其中，身体轴体的形成作为关键环节，奏响了开篇的激昂序曲。它协调着多种组织的生成，如同一位指挥大师，精准地调度着各个声部，促使神经、内胚层、中胚层等组织各司其职，共同搭建起脊椎动物胚胎的基本架构。这些组织犹如大厦的基石，源自胚胎尾端那一群充满无限潜能的祖细胞群，它们承载着生命起源的希望，蕴含着分化成各种特定细胞类型的密码。

在这场生命的孕育奇迹里，脊索作为轴体形成的标志性结构，傲然屹立于胚胎中线之上，宛如脊椎动物胚胎发育舞台上的主角，肩负着力学支撑与信号调控的双重重任。一方面，它为胚胎提供了坚实的物理支撑，如同建筑中的承重梁，确保胚胎在发育早期维持稳定的形态，为后续器官的形成与布局奠定基础。想象一下，在胚胎尚如一颗微小的 “生命种子”，处于混沌未开的初始阶段时，脊索就已挺身而出，抵御外界压力，为脆弱的胚胎营造出一个相对稳定的发育环境，使得后续的细胞分化、组织构建能够有条不紊地进行。另一方面，脊索还是一位 “无声的信号指挥官”，通过分泌各类信号分子，如精密的电波指令，远程操控着神经管和中胚层的模式化进程。它引导神经管沿着正确的路径分化发育，逐步构建起未来神经系统的雏形；同时，向中胚层传递关键信息，调控其分化为肌肉、骨骼等重要组织，塑造出脊椎动物强健的躯体。此外，在胚胎形态的精心雕琢过程中，脊索也发挥着不可或缺的作用，它像是一位技艺精湛的雕塑家手中的刻刀，精准地塑造着胚胎的外形，决定着身体的前后、左右对称性，以及各个器官系统的相对位置，确保每一个生命个体都能以最完美的姿态开启未来的成长之旅。

然而，尽管科学家们多年来孜孜不倦地探索脊椎动物的发育奥秘，试图在实验室的 “试管天地” 里模拟这一神奇过程，但现实却困难重重。目前，大多数体外模型，像是类胚体、轴向延伸类器官和脊髓类器官等，虽然在一定程度上展现出了生命的创造力，能够生成神经、内胚层和部分中胚层组织，为研究胚胎发育提供了宝贵的线索，但它们却在脊索及其依赖性组织（如神经管腹板）的生成面前遭遇了 “滑铁卢”，始终无法完美还原这一关键结构。就好比搭建一座宏伟的城堡，虽然已经堆砌起了部分城墙和楼阁，但最为核心的城堡主楼 —— 脊索，却始终缺失，使得整个胚胎发育的模拟拼图残缺不全。

究竟是什么原因导致了这一困境呢？主流科学界推测，脊索的生成绝非易事，它可能犹如一场需要高度默契配合的复杂舞蹈，需要特定信号通路的精妙组合，并且对这些信号的时间调控要求近乎苛刻。任何一个信号的过早或过晚出现，强度的过强或过弱，都可能如同舞蹈节奏的错乱，让这场生命的演绎陷入混乱，无法顺利生成脊索。而现有的体外模型，恰恰在这些关键的信号调控环节上，尚未达到大自然所设定的严苛标准，难以重现胚胎体内那精密有序的发育环境。

也正因如此，揭示脊索形成的分子机制，并构建出能够精准模拟脊索发育的体外模型，不仅成为了发育生物学领域亟待攻克的核心难题，更像是一把开启未来医学宝藏的金钥匙，为推动组织工程和再生医学的蓬勃发展带来了无限希望。一旦我们能够破解脊索形成的密码，就意味着在未来的医学实践中，我们或许能够利用干细胞技术，根据患者的需求，定制化地培育出含有脊索的组织或器官，为那些遭受脊柱裂、脊髓损伤等疾病折磨的患者带来重生的曙光；还能在组织工程领域，为构建更加复杂、功能完备的生物人工器官提供理论指导，彻底改写器官移植供体短缺的困境。

近日，在国际顶尖学术期刊《Nature》上，来自弗朗西斯・克里克研究所的 James Briscoe 和 Tiago Rito 等科学家团队发表的一项研究成果，宛如一颗璀璨的启明星，划破了这一研究领域的夜空，为我们照亮了前行的道路。他们通过巧妙整合单细胞转录组学和干细胞分化技术这两大前沿科技 “利器”，首次在体外成功再现了脊索的形成过程，让脊索这一神秘的胚胎结构在实验室的培养皿中得以 “重生”，并进一步揭示了在这一过程中 TGFβ 信号对胚胎模式化构建和脊索样细胞形成的复杂调控机制，为我们揭开了脊索发育背后那层神秘的面纱。

这项研究选取了鸡胚胎作为探索生命奥秘的 “窗口”，开启了一场微观世界的奇妙之旅。科学家们运用单细胞转录组学分析技术，如同给尾端区域的每一个细胞都装上了一个 “基因麦克风”，精准记录下它们的转录特征。在这场细胞的 “基因大合唱” 中，神经 - 中胚层前体细胞（NMPs）和脊索祖细胞（NotoPs）脱颖而出，成为了胚胎躯干组织形成的核心 “主唱”。NMPs 细胞群宛如一群活力四射的 “多面手”，它们主要表达 SOX2、TBXT、CDX2 和 CYP26A1 等基因，这些基因如同万能的工具包，赋予了 NMPs 细胞多样的分化潜能，使其能够在胚胎发育的不同阶段、不同场景下发挥关键作用，参与到神经、中胚层等多种组织的构建过程中。而 NotoPs 细胞群则像是一群专业的 “脊索工匠”，大量表达 FOXA2、CHRD、NOTO 等脊索标志基因，这些基因仿佛是它们独特的 “身份标识”，标志着它们将肩负起构建脊索的神圣使命。更为令人惊喜的是，研究团队进一步深入探索发现，这些基因表达特征并非鸡胚胎所独有，在小鼠和猕猴胚胎中同样存在，如同古老生命密码的传承，跨越物种界限，充分体现了脊椎动物胚胎发育的保守性规律。这一发现不仅加深了我们对生命统一性的认识，更为利用不同动物模型开展相关研究提供了坚实的理论依据，让我们能够从更多角度、更全面地探索脊索发育的奥秘。

紧接着，科学家们凭借着精湛的科研技艺，通过基因表达的空间定位分析，绘制出了一幅胚胎尾端区域的精细 “基因地图”。他们发现，NMPs 主要分布于原条背侧区域，就像是一群守护在胚胎发育关键阵地的 “卫士”，其标记基因 NEFM 和 CNTN2 如同鲜明的旗帜，醒目地标识出它们的领地。而 NotoPs 则位于原结中线的背侧凹坑区域，这里宛如脊索发育的 “摇篮”，孕育着未来的脊索结构。值得注意的是，NotoPs 特征基因如 CHRD 和 SPRY2 编码 BMP 抑制因子，这一发现暗示着这些区域如同精密调控的 “信号枢纽”，通过抑制或激活特定信号，精准地把控着细胞的分化方向，确保脊索祖细胞能够沿着正确的路径发育成长，不受外界干扰。

在对胚胎细胞有了深入了解之后，研究团队并未满足于此，他们怀揣着更大的科研抱负，建立了一个基于人胚胎干细胞的体外模型，试图在这个 “人造胚胎世界” 里，解开脊索生成的谜题。利用该模型，科学家们如同经验丰富的探险家，深入探索特定信号通路在脊索生成中的作用。他们发现，WNT 和 FGF 信号宛如两把 “生命钥匙”，对于激活 TBXT 基因表达起着至关重要的作用，从而确保后轴祖细胞的分化潜能得以维持，为脊索的生成点燃了希望之火。然而，这场生命的演绎远比想象中复杂，仅有这两把钥匙还远远不够，WNT 和 FGF 信号的作用必须与 BMP 和 NODAL 信号的适时抑制紧密结合，方能奏响脊索生成的和谐乐章。否则，后轴细胞将会如同迷失方向的船只，在细胞分化的茫茫大海中偏离轨道，偏向内胚层或侧板中胚层命运，与脊索的生成擦肩而过。

为了实现这一精妙的信号调控，研究团队可谓是煞费苦心，他们设计了一种精确到每一个时间节点、每一个信号强度的调控方案，如同一位严谨的乐团指挥，通过动态调整 WNT、FGF、BMP 和 NOD信号的作用时间和强度，成功诱导人胚胎干细胞生成含脊索的三维结构。在这个神奇的体外模型中，脊索细胞如同训练有素的士兵，沿着中线整齐排列，自豪地表达着 FOXA2 和 CHRD 等基因，宣告着它们纯正的脊索 “血统”。这些脊索细胞不仅在基因表达层面表现出色，更令人惊叹的是，它们还通过分泌 SHH 信号，如同发射出一道道无形的 “指挥电波”，模式化邻近神经管和中胚层组织，完美还原了胚胎体内的发育场景。而且，模型还进一步展现了类似胚胎发育的动态特征，其生成的脊索细胞不仅在微观的细胞层面呈现出特征性基因表达，更在宏观的形态结构上高度还原了脊椎动物的胚胎轴体特征，让人仿佛亲眼目睹了胚胎发育的神奇过程在实验室中重演。

此外，研究过程中还有一个意外而又意义重大的发现，那就是信号调控时机在脊索形成中的极端重要性。当 BMP 和 NODAL 信号的抑制延迟至诱导后的第 24 小时，脊索细胞的生成显著增加，如同一场精心编排的戏剧，在这个特定的 “时间节点” 上，迎来了剧情的高潮。而在更早或更晚的时间点抑制这些信号，都会打破这场生命演绎的和谐节奏，降低模型的成功率。这一发现宛如一道强光，照亮了我们对脊索形成机制的认知盲区，表明脊索的形成依赖于一系列精确的时间窗口，这种精密调控对胚胎轴体发育具有不可估量的意义。任何细微的时间偏差，都可能导致胚胎发育的重大缺陷，引发诸如脊柱裂等严重疾病。

综上所述，本研究通过创新性地整合单细胞转录组学和干细胞分化技术，在体外成功再现了脊索的形成过程，如同在生命科学的浩瀚星空中找到了一颗新的 “恒星”，为我们深入理解脊椎动物胚胎发育机制提供了全新的坐标。同时，揭示的信号通路动态调控机制，也为研究脊索相关疾病的发病机制打开了一扇全新的大门。未来，随着这一研究的不断深入和拓展，我们有理由相信，在组织工程、再生医学等诸多领域，将会涌现出更多基于这一成果的创新性应用，为人类的健康福祉带来革命性的改变。让我们满怀期待，继续跟随科学家们的脚步，在探索生命奥秘的征程上奋勇前行。

参考文献

1. Turner, D. A. et al. Anteroposterior polarity and elongation in the absence of extra-embryonic tissues and of spatially localised signalling in gastruloids: mammalian embryonic organoids. Development 144, 3894–3906 (2017).

2. Veenvliet, J. V. et al. Mouse embryonic stem cells self-organize into trunk-like structures with neural tube and somites. Science 370, eaba4937 (2020).

3. Lee, J.-H. et al. Production of human spinal-cord organoids recapitulating neural-tube morphogenesis. Nat. Biomed. Eng. 6, 435–448 (2022).

4. Yamanaka, Y. et al. Reconstituting human somitogenesis in vitro. Nature 614, 509–520 (2023).