小鼠和人类定形内胚层中的单细胞模式和轴特征

撰文│方婷  何志颖

编辑│陈圆圆

审校│汤红明

文章从单细胞水平和分子层面解析了定形内胚层精确的时空分化过程，揭示了消化、呼吸相关器官在内胚层上的特化模式。

【据《Cell Research》2020年10月报道】题：小鼠和人类定形内胚层中的单细胞模式和轴特征（作者Cheng-Ran Xu等）

哺乳动物胚胎在经历原肠胚形成的发育阶段后，建立了身体的前后轴(A-P)、背腹轴(D-V)、内外轴(M-L)三个基本轴，并形成外、中、内三个胚层，其中定形内胚层(DE)主要发育为呼吸系统和胃肠道相关器官。了解定形内胚层的时空发育路径对于揭示内胚层来源的器官谱系发生和调控机制至关重要，也对人类多能干细胞(hPSCs)体外定向分化为各类内胚层器官特异性祖细胞具有重要的指导意义。单细胞RNA测序（Single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）技术是一种强大的工具，能够全面观察细胞的谱系组成和发育路径。

作者首先分离了9体节阶段(9-SS/E8.5)的小鼠内胚层组织，通过显微解剖(LM)划分出特定区域以保留空间信息。随后对经荧光激活细胞分选术（fluorescence-activated cell sorting, FACS）纯化的内胚层细胞进行scRNA-seq。通过基于基因共表达网络(GCN)的聚类算法，结合内胚层组织的位置信息和标志基因的原位杂交(ISH)结果，确定了定形内胚层的前肠(FG)、前唇(AL)、中肠(MG)和后肠(HG) 等4个主要细胞类群及空间分布模式。再通过基因调控网络进一步将内胚层4大细胞类群细分成13个细胞亚群，并确定了特异性基因的空间表达模式。据此在三维水平上确定了小鼠内胚层的轴向和沿A-P轴的细胞路径，并揭示了各个轴向特异的调控因子及细胞信号。该研究还发现Hedgehog信号通路富集于前肠的背侧区域，在内胚层组织体外培养时抑制Hedgehog通路会促进前肠细胞向腹轴和后轴的细胞状态转变。基于内胚层各个细胞类群的空间分布和发育路径，作者观察到一种“中线特化”的现象。即在内胚层发育的过程中，背侧和腹侧的中线受到了多种信号的诱导，特化形成沿着内胚层A-P轴分布的中线区域，这些中线区域在很大程度上奠定了肠道相关器官生成的分子基础。

为了揭示内胚层形成的时空发育路径，作者对3-SS和6-SS的内胚层细胞进行了scRNA-seq。发现内胚层沿A-P轴先建立前肠(FG)和中后肠(M-HG)两个区域，然后再形成前肠(FG)、前唇(AL)、中肠(MG)和后肠(HG) 等4个主要细胞类群，进而特化成特定器官区域。以上信息为研究器官祖细胞起源和调控机制奠定了坚实的基础。随后，通过单细胞发育路径分析、体外成像追踪分析和遗传溯源研究，作者确定了背腹侧胰腺祖细胞(PPs)共同起源于中肠内胚层，再分别沿着背侧和腹侧路径分化成相同类型的胰腺祖细胞，推翻了“胰腺起源于两个不同的前肠内胚层区域”的论断，确定了全新的胰腺祖细胞发育路径。该研究还分析了人胚胎定形内胚层细胞的空间分布和轴向相关基因及细胞信号表达，发现人和小鼠的内胚层发育在进化上普遍保守，但可能由于胚胎发育速度不同，两个物种中不同分区发育的程度存在一些差异。

综上所述，这篇文章从单细胞水平和分子层面解析了定形内胚层精确的时空分化过程，揭示了消化、呼吸相关器官在内胚层上的特化模式，为优化人类多能干细胞在体外向特定器官细胞分化奠定了扎实的发育生物学基础，也为研究人员评价诱导器官再生或特异性内胚层细胞的质量提供了一个蓝本。

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