《自然》重磅：首次揭示人类早期胚胎发育的秘密

《自然》重磅：首次揭示人类早期胚胎发育的秘密！受精后第16-19天，血细胞和原始生殖细胞都有了，神经系统还没开始分化丨科学大发现 原创 奇点糕 奇点网 收录于话题 #胚胎发育 1个内容

感谢这位匿名捐赠者。

因为她的慷慨，我们终于有机会一窥人类早期胚胎发育的秘密。

近日，由英国牛津大学Shankar Srinivas和德国环境健康研究中心亥姆霍兹慕尼黑中心Antonio Scialdone领衔的研究团队，在顶级期刊《自然》发布了一项发育生物学领域里程碑级别的研究成果[1]。

他们基于这个在受精后16-19天左右被终止的胚胎（男），开展了一项单细胞测序研究。从测序结果来看，这个早期胚胎已经从受精卵分化出至少11种类型的细胞。虽然大多数细胞没有发育成熟，但是研究人员仍旧辨认出了血液系统的祖细胞和原始生殖细胞。让研究人员感到意外的是，他们没有发现神经细胞或中枢神经系统相关细胞存在的证据。

据了解，这是人类首次使用现代技术对这一时期的胚胎开展如此详细的研究。这些研究成果不仅填补了我们对人类早期胚胎发育认知的空白，还有可能影响人体胚胎研究领域的“14天规则”。

论文首页截图

即使在科技如此发达的今天，人类胚胎的发育过程，仍然有很多未解之谜。

人类胚胎的发育从受精后14天开始（“14天规则”制定的原因），持续大约一周的时间。在这短短的一周内，器官开始形成和成熟。但是这短短的一周究竟发生了什么，目前人类知之甚少。这主要与这一时期的胚胎捐赠极少（大多数已孕女性甚至不知道这一时期胚胎的存在），以及受精卵在实验室里的培育时间不能超过14天有关。

因此，这一时期的胚胎发育过程，成了名副其实的“黑匣子”。

实际上，也不是完全一点儿相关研究都没有。从历史资料来看，还是有一些这一时期胚胎的固定样本，以及其他模式动物的胚胎，可以帮助我们理解胚胎的发育。只不过这些材料和素材提供的信息非常有限，我们根本不可能据此了解人类胚胎发育的全过程。

为了解决材料的难题，Srinivas团队也是费了不少力气。他们从伦敦的人类发育生物学资源库（HDBR）找到了一份处于发育早期的人类胚胎。总体上看，这个胚胎样品完整，形态正常，核型正常，为男性，Carnegie分期为CS7，处于受精后的第3周，具体来说是处于受精后的第16-19天。

这枚胚胎的不同角度照片及示意图（比例尺：0.5毫米）

随后Srinivas团队将这一胚胎分成了三部分：卵黄囊、喙部胚盘（rostral embryonic disk）和尾部胚盘（caudal embryonic disk）。然后从这三个部分分离出1195个单细胞，卵黄囊处190个，喙部胚盘处340个和尾部胚盘处665个。

所有细胞表达基因中值为4000，所有细胞都有Y染色体的基因表达，没有母体细胞污染。此外，所有细胞周期阶段都可以被检测到，胚胎的基因组完整。这些都表明这是一个正常发育的人类胚胎。

Srinivas团队用无监督聚类法，检测到了11个不同的细胞群（图1c），并根据细胞的解剖学位置和标记基因，分别给它们命名。他们还将这些细胞类型与小鼠和非人灵长类猕猴同一时期胚胎的细胞类型做了比较，结果表明他们的分类是正确的。

11个细胞群

随后，他们利用特定细胞表达的基因作为标志物，进一步了解CS7这一时期胚胎已经分化出哪些细胞。Srinivas团队最想知道的是神经细胞，结果发现早期神经诱导（SOX1、SOX3和PAX6）和神经元分化（TUBB3、OLIG2和NEUROD1）的标志物要么是检测不到，要么是表达水平非常低。他们发现，没有细胞表达SOX3、PAX6或TUBB3中的任意两个或两个以上的标记物。

基于以上结果，Srinivas和他的同事认为，在CS7这个时期的胚胎中，神经分化可能还没有开始。值得注意的是，这一结果有可能会影响学术界讨论“14天规则”的结果[2]。

不过，他们发现了一小群原始生殖细胞（PGCs），这与小鼠、其他非人灵长类动物以及体外培养人类胚胎的研究结果相一致。

此外，他们还发现了两个与血液有关的集群，即有核红细胞和血液内皮祖细胞（HEP），这也证实了之前的猜想[3]。让Srinivas团队感到意外的是，同一时期的小鼠胚胎居然没有分化出血细胞。对HEP的进一步细分，他们发现了内皮细胞、巨核细胞-红细胞祖细胞（MEP）、骨髓祖细胞和红细胞-骨髓祖细胞（EMP）的身影。

血细胞的分布（a）与分类（b）

总的来说，Srinivas团队的研究表明，人类胚胎CS7这个阶段在已经有了原始生殖细胞和红细胞，但还没有启动神经分化。而且，小鼠胚胎的发育动态与人类大致一致，这表明小鼠同时期的胚胎是个比较好的研究模型。

需要指出的是，以上的研究结果是基于单一胚胎得出的，我们不能据此得出归纳性确切的结论。不过，以上研究结果还是让我们对早期胚胎发育有了更深入的认知。

研究人员绘制的示意图

如果大家想了解更多早期胚胎发育的信息，可以登陆相关网站（http://www.human-gastrula.net/），这个研究得到的所有结果都以开源的形式公开了。

再次感谢这位匿名的捐赠者。

参考文献：

[1].Tyser, R.C.V., Mahammadov, E., Nakanoh, S. et al. Single-cell transcriptomic characterization of a gastrulating human embryo. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04158-y

[2].https://www.ox.ac.uk/news/2021-11-17-oxford-led-research-maps-milestone-stage-human-development-first-time

[3].Martyn I, Kanno T Y, Ruzo A, et al. Self-organization of a human organizer by combined Wnt and Nodal signalling[J]. Nature, 2018, 558(7708): 132-135.

本文作者丨BioTalker

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