科技日?qǐng)?bào)記者 金鳳 通訊員 吳涵玉

在生命起源的奧秘中，胚胎發(fā)育始終是深受關(guān)注的謎題之一。東南大學(xué)教授林承棋、羅卓娟、謝芃領(lǐng)銜多家科研機(jī)構(gòu)在全球首次構(gòu)建單細(xì)胞精度三維數(shù)字胚胎，并在其中發(fā)現(xiàn)中內(nèi)胚層器官的原基決定區(qū)，“破譯”心臟發(fā)育密碼。這一發(fā)現(xiàn)不僅填補(bǔ)了哺乳動(dòng)物心臟早期發(fā)育機(jī)制的理論空白，也為先天性心臟病防治及再生醫(yī)學(xué)發(fā)展提供關(guān)鍵理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果18日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上。

“早期胚胎的細(xì)胞團(tuán)里，藏著心臟、肺、肝臟等器官形成的關(guān)鍵細(xì)胞。”論文共同通訊作者林承棋介紹，哺乳類(lèi)動(dòng)物的胚胎經(jīng)過(guò)原腸運(yùn)動(dòng)后，形成外、中、內(nèi)3個(gè)胚層。經(jīng)過(guò)生物體內(nèi)復(fù)雜的信號(hào)通路調(diào)控，三胚層進(jìn)一步形成各種器官原基，即器官的雛形。

長(zhǎng)期以來(lái)，胚胎中胚層和內(nèi)胚層器官原基的精確定位及形成機(jī)制一直是困擾學(xué)界百年的“世紀(jì)難題”。

此次研究中，科研團(tuán)隊(duì)在全球首次構(gòu)建了從小鼠原腸運(yùn)動(dòng)后期到心臟等器官原基形成期的單細(xì)胞精度三維數(shù)字胚胎，試圖了解器官特別是心臟的發(fā)育過(guò)程。

“我們建構(gòu)了6個(gè)單細(xì)胞數(shù)字胚胎，每個(gè)胚胎細(xì)分為60個(gè)切片，累計(jì)解析數(shù)十萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)信息。”論文的共同第一作者謝芃介紹，為捕捉器官形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程，團(tuán)隊(duì)在器官原基形成關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)小鼠胚胎進(jìn)行單細(xì)胞空間組學(xué)分析，如同給每個(gè)細(xì)胞裝上“GPS定位”，記錄其基因表達(dá)特征與空間位置。

研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠胚胎發(fā)育到7.75天時(shí)，胚內(nèi)、胚外層交界處出現(xiàn)一個(gè)獨(dú)特的信號(hào)“洼地”——器官原基決定區(qū)（PDZ）。

“PDZ處于胚內(nèi)層高濃度信號(hào)抑制分子與胚外層激活性配體分子的交界處，這里的信號(hào)活性偏低，但可以表達(dá)多種受體信號(hào)基因，容易接收多胚層信號(hào)的調(diào)控輸入，驅(qū)動(dòng)心臟等器官原基協(xié)同發(fā)育的微環(huán)境。”林承棋說(shuō)，此次研究首次揭示了PDZ可以通過(guò)整合無(wú)翅型相關(guān)整合位點(diǎn)、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子、骨形態(tài)發(fā)生蛋白等通路，將微環(huán)境信號(hào)轉(zhuǎn)化為基因選擇性表達(dá)指令，驅(qū)動(dòng)器官原基形成。

當(dāng)前，我國(guó)出生缺陷發(fā)病率約5.6%，其中先天性心臟病是最為常見(jiàn)的出生缺陷類(lèi)型。“PDZ的發(fā)現(xiàn)，為追溯心臟發(fā)育異常的起源提供了‘時(shí)空坐標(biāo)’——在胚胎器官發(fā)育的關(guān)鍵窗口期，遺傳因素或環(huán)境因素對(duì)PDZ的干擾，可能導(dǎo)致器官原基形成異常。”論文共同通訊作者羅卓娟表示，通過(guò)數(shù)字胚胎技術(shù)，科學(xué)家能精準(zhǔn)定位決定中內(nèi)胚層器官命運(yùn)的細(xì)胞群，進(jìn)而研究基因突變或環(huán)境因素如何影響這一過(guò)程。