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《细胞报告》：彭广敦/景乃禾/司维合作构建食蟹猴胚层发生过程中高精度解剖图谱和时空转录组图谱
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北京时间2022年8月30日晚23时，Cell Reports在线发表了中国科学院广州生物医药与健康研究院彭广敦课题组、广州实验室/生物岛实验室景乃禾课题组、昆明理工大学灵长类转化医学研究院司维课题组共同合作的最新研究成果——“Spatial molecular anatomy of germ layers in the gastrulating Cynomolgus monkey embryo”。
该研究首次构建了食蟹猴原肠运动时期高精度的解剖图谱，并建立了连续五个发育时期的3D胚胎模型；同时采用Geo-seq空间转录组技术构建了其中两个重要非人灵长类原肠发育时期的空间转录组图谱，揭示了灵长类在胚层发生过程中的关键调控网络，跨物种比较分析揭示了小鼠、食蟹猴、人等不同物种在原肠运动时期的物种特异性转录调控网络。
这项工作为理解灵长类胚层谱系建立及物种特异性细胞命运调控机制，提供了翔实的数据和崭新的思路。
英国著名发育生物学家Lewis Wolpert 曾说：“人生最重要的阶段不是出生和结婚，甚至不是死亡，而是原肠运动。”原肠运动（Gastrulation）作为早期胚胎发育中关键的生物学过程，近些年在新技术的推动下受到越来越多的关注[1-9]。经过原肠运动，胚胎形成外、中、内三个胚层。外胚层将发育成机体的神经、皮肤等组织，中胚层将发育成心脏、血液、肌肉和骨骼等组织，而内胚层则发育成肺、肝、胰腺和肠等内脏器官。因此，外、中、内三胚层的形成过程对于胚胎发育的正常进行十分重要，并影响胎儿是否能够顺利从母体诞生，是最为引人入胜的发育生物学过程之一。
上世纪八九十年代的在小鼠中的细胞命运图谱研究揭示细胞的空间位置对于细胞命运具有重要的影响。彭广敦、景乃禾及合作团队前期基于Geo-seq[10]空间转录组分析技术构建了小鼠早期胚胎着床后发育时期高分辨率时空转录组图谱，揭示了小鼠胚胎多能干细胞的分子谱系和多能性在时间和空间上的动态变化及其调控网络[9]。虽然小鼠和人同属于哺乳动物，但两者在早期胚胎发育过程中存在差异，例如小鼠的原肠胚呈卵桶状，而人等灵长类的胚胎为圆盘状；人类等灵长类的胚外中胚层细胞在原肠运动之前就已经产生[11]。而对于人类早期胚胎发育的分子研究受限于“14天准则”，对于人类等灵长类在原肠运动时期的组织结构变化、分子调控机制知之甚少，亟需绘制高精度的细胞解剖图谱和分子图谱，并从时间和空间尺度，在全基因组层面阐释其调控关系。
依据动物伦理准则，研究团队通过超声确定受孕及胚胎发育信息，获取了食蟹猴胚胎17天（E17）、E18、E19、E20和E21五个发育节点的14个胚胎，每个时期至少两个胚胎，分别用于解剖学、空间转录组和分子表达验证研究。研究人员首先对每个时期的胚胎进行连续的切片采集，通过详细的组织学分析获得了整个胚胎连续的组织形态变化特征；进一步通过三维（3D）重建，建立了五个发育节点的3D胚胎模型，形象的展示了原肠运动时期主要的细胞学特征，如原条延伸和中胚层细胞的扩展等。同时，完整的、高精度的组织解剖图谱可以让研究人员研究灵长类在原肠运动时期的细胞动力学变化。经过统计分析发现，食蟹猴原肠运动大约起始E16，此时上胚层约为490个细胞，下胚层约为200个细胞。随后原肠期的细胞比原肠运动发生前细胞增殖加快，到原肠运动结束时（E20）外、中、内三胚层分别为4500个、2200个和2300个。有趣的是，虽然灵长类和小鼠的原肠胚在细胞数目上存在差异，但食蟹猴细胞增殖的动力学特征与小鼠原肠胚基本一致，表明细胞数目变化对于原肠运动发生具有较强的进化保守性。
图1. 食蟹猴原肠运动时期解剖图。收取E17-E21五个时期的胚胎，进行连续切片和H.E染色。AC, amniotic cavity; AM, Amnion; CC, chorionic cavity; CS, connecting stalk; CT, cytotrophoblast; ECT, ectoderm; ED, Embryonic disc; EN, endoderm; EPI, epiblast; EXMC, extra-embryonic mesenchyme cell; EXO, exocelom; EXSOM, extraembryonic somatic mesoderm; EXSPM, extraembryonic splanchnic mesoderm; HYP, hypoblast; LPM, lateral plate mesoderm; ME, mesoderm; NE, neural ectoderm; NP, notochordal plate; PS, primitive streak; PTE, parietal trophectoderm; PYS, primary yolk sac; SE, surface ectoderm; S, somite; ST, syncytiotrophoblast; SYS, secondary yolk sac; YSPE, yolk-sac parietal endoderm.
原肠运动过程中一个重要的生物学事件是上皮-间充质转换（EMT）。与小鼠中研究一致，研究人员发现上胚层细胞在原条位置失去与基底膜的相互作用，从柱状变为间充质样细胞，并迁移进入上胚层和下胚层中间，形成新生的中胚层。有趣的是，研究人员观察到在原来下胚层中存在一些间充质样的细胞，其细胞形状、大小与周边细胞有较大不同。进一步的分子实验揭示，这些细胞可能共表达OCT4和T，暗示食蟹猴原肠胚的内胚层中存在两种不同的细胞。
研究人员进一步对E18和E20时期的胚胎构建空间转录组分子图谱，基于基因表达和转录调控活性，研究人员建立了食蟹猴原肠运动时期的分子表达结构域（胚外中胚层EXMC1/2，上胚层Epiblast，原条PS1/2和卵黄囊YS1/2），并构建了关键转录因子在不同细胞类型中的调控网络。有趣的是，研究人员发现BMP和Hippo-Yap信号通路在胚外中胚层中高表达，并且胚外中胚层通过IGF信号通路作用于原条，暗示BMP、Hippo和IGF信号通路对于灵长类的原肠运动起始具有重要作用。
原肠运动被认为是进化上非常保守的生物学事件，其机制受到精细而严谨的调控。研究人员通过多物种比较分析发现，小鼠、食蟹猴和人类中调控胚层命运建立的多数调控子的活性一致，但也存在物种特异的调控子。进一步分析发现，不同物种可能采用不同调控子执行相似的生物学功能。有趣的是，研究人员发现小鼠、食蟹猴和人在原肠胚发生过程中分别富集FOXO家族中不同成员的调控网络，例如FOXO4调控子在小鼠中特异富集，而FOXO1和FOXO3调控子分别富集在食蟹猴和人的原肠胚中。
图2. 食蟹猴原肠胚的解剖和分子图谱
为方便其他研究者进行食蟹猴原肠运动的组织解剖学和空间分子表达模式研究，研究团队建立了灵长类空间组图谱（Spatial atlas Of Primate gastrula, SOP, http://sop.ccla.ac.cn/）。此数据库实现了食蟹猴原肠胚和早期器官发生的完整、高精度的细胞形态、细胞数目和三维结构变化研究，并绘制了所有表达基因的数字化原位杂交图谱，可供其他研究者交互探索灵长类原肠胚的结构特征，查询和分析基因的空间表达模式、共表达关系等。这是目前国际上关于食蟹猴原肠运动时期一个全面和完整的交互性组织解剖学和空间转录组数据库。
本研究主要由中国科学院广州生物医药与健康研究院彭广敦课题组、广州实验室/生物岛实验室景乃禾课题组、昆明理工大学灵长类转化医学研究院司维课题组共同合作完成。广州实验室/生物岛实验室崔桂忠博士、封素博士、昆明理工大学灵长类转化医学研究院的严亚萍为该论文的共同第一作者，彭广敦研究员(Lead contact)、景乃禾研究员和司维教授为共同通讯作者。
该工作得到了昆明理工大学季维智院士和谭韬研究员、广州大学唐珂教授、悉尼大学Patrick P.L. Tam教授和广州实验室索生宝研究员的大力帮助，受到了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金委员会、广东省科学技术基金的资助。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111285
参考文献
[1]GROSSWENDT S, KRETZMER H, SMITH Z D, KUMAR A S, HETZEL S, WITTLER L, KLAGES S, TIMMERMANN B, MUKHERJI S, MEISSNER A. Epigenetic regulator function through mouse gastrulation [J]. Nature, 2020, 584(7819): 102-8. [2]ARGELAGUET R, CLARK S J, MOHAMMED H, STAPEL L C, KRUEGER C, KAPOURANI C-A, IMAZ-ROSSHANDLER I, LOHOFF T, XIANG Y, HANNA C W, SMALLWOOD S, IBARRA-SORIA X, BUETTNER F, SANGUINETTI G, XIE W, KRUEGER F, GöTTGENS B, RUGG-GUNN P J, KELSEY G, DEAN W, NICHOLS J, STEGLE O, MARIONI J C, REIK W. Multi-omics profiling of mouse gastrulation at single-cell resolution [J]. Nature, 2019, [3]TAM P P L, BEHRINGER R R. Mouse gastrulation: the formation of a mammalian body plan [J]. Mechanisms of development, 1997, 68(1): 3-25 %@ 0925-4773. [4]CHENG S, MITTNENZWEIG M, MAYSHAR Y, LIFSHITZ A, DUNJIĆ M, RAIS Y, BEN-YAIR R, GEHRS S, CHOMSKY E, MUKAMEL Z, RUBINSTEIN H, SCHLERETH K, REINES N, ORENBUCH A-H, TANAY A, STELZER Y. The intrinsic and extrinsic effects of TET proteins during gastrulation [J]. Cell, 2022, [5]MORIS N, ANLAS K, VAN DEN BRINK S C, ALEMANY A, SCHRöDER J, GHIMIRE S, BALAYO T, VAN OUDENAARDEN A, MARTINEZ ARIAS A. An in vitro model of early anteroposterior organization during human development [J]. Nature, 2020, 582(7812): 410-5. [6]MITTNENZWEIG M, MAYSHAR Y, CHENG S, BEN-YAIR R, HADAS R, RAIS Y, CHOMSKY E, REINES N, UZONYI A, LUMERMAN L, LIFSHITZ A, MUKAMEL Z, ORENBUCH A-H, TANAY A, STELZER Y. A single-embryo, single-cell time-resolved model for mouse gastrulation [J]. Cell, 2021, 184(11): 2825-42.e22. [7]PIJUAN-SALA B, GRIFFITHS J A, GUIBENTIF C, HISCOCK T W, JAWAID W, CALERO-NIETO F J, MULAS C, IBARRA-SORIA X, TYSER R C V, HO D L L, REIK W, SRINIVAS S, SIMONS B D, NICHOLS J, MARIONI J C, GöTTGENS B. A single-cell molecular map of mouse gastrulation and early organogenesis [J]. Nature, 2019, 566(7745): 490. [8]BERGMANN S, PENFOLD C A, SLATERY E, SIRIWARDENA D, DRUMMER C, CLARK S, STRAWBRIDGE S E, KISHIMOTO K, VICKERS A, TEWARY M, KOHLER T N, HOLLFELDER F, REIK W, SASAKI E, BEHR R, BOROVIAK T E. Spatial profiling of early primate gastrulation in utero [J]. Nature, 2022, [9]PENG G, SUO S, CUI G, YU F, WANG R, CHEN J, CHEN S, LIU Z, CHEN G, QIAN Y, TAM P P L, HAN J J, JING N. Molecular architecture of lineage allocation and tissue organization in early mouse embryo [J]. Nature, 2019, 572(7770): 528-32. [10]CHEN J, SUO S, TAM P P, HAN J J, PENG G, JING N. Spatial transcriptomic analysis of cryosectioned tissue samples with Geo-seq [J]. Nature protocols, 2017, 12(3): 566-80. [11]ROSS C, BOROVIAK T E. Origin and function of the yolk sac in primate embryogenesis [J]. Nature communications, 2020, 11(1): 3760.
https://blog.sciencenet.cn/blog-3423233-1353403.html
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