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CELL RESEARCH | 徐成冉课题组解析哺乳动物早期内胚层特化和轴向形成模式,揭示胰腺祖细胞新起源

日期: 2020-11-02

哺乳动物胚胎在早期胚胎发育中形成外、中、内三个胚层,其中内胚层主要发育成消化和呼吸器官。了解内胚层的时空发育路径,不仅对于揭示内胚层来源器官的谱系发生和分子调控机制至关重要,也对利用人多能性干细胞定向分化,构建各类内胚层来源的器官具有重要的指导意义。

2020年1026日,Cell Research在线发表了来自金沙娱东城app生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心徐成冉课题组的题为“Single-cell patterning and axis characterization in the murine and human definitive endoderm”的研究论文(https://doi.org/10.1038/s41422-020-00426-0),该研究结合早期胚胎显微解剖、单细胞转录组分析、成像分析以及遗传学追踪等手段揭示了哺乳动物内胚层细胞早期的细胞特化模式、发育路径以及轴向(前-后、腹-背和中间-两侧)建立的调控机制。

经典的理论认为早期内胚层划分为前肠、中肠和后肠3大区域,然而区域边界并不清晰。该研究通过精确的显微解剖,分离出特定位置的小鼠内胚层组织,随后进行高精度单细胞转录组测序。通过基于基因共表达网络的多层分类算法,根据核心调控基因鉴定出内胚层细胞的不同类群,进一步结合内胚层组织的空间信息和标志基因的原位杂交,确定内胚层中主要细胞类群的空间分布。根据细胞整体分子特征,本研究发现了一类有别于其他三类(前肠、中肠和后肠)基因调控模式的第四类细胞类群,该类群位于内胚层的“前唇部”,因此命名为“前唇细胞”。此外,利用精确的空间信息,本研究首次明确了四大区域清晰的边界。

1单细胞转录组分析鉴定出四个主要的内胚层细胞类群。

随后,通过基因调控网络分析,进一步将内胚层4大类群细分为13类亚群,并确定了其空间分布。依此在三维水平上确定了小鼠内胚层的轴向,揭示了各个轴向特异的调控因子和细胞信号。该研究发现Hedgehog通路富集在内胚层前段背侧,在内胚层组织体外培养时抑制Hedgehog信号通路会促进细胞向腹侧细胞状态转变。基于内胚层各个细胞类群的空间分布和发育路径,该研究提出了“中线特化”的假说: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,特化成沿着内胚层前后分布的中线区域,这些中线区域在很大程度上奠定了内胚层发育成背腹侧胰腺、肝脏、甲状腺、气管/肺等消化道附属器官的基础。

2小鼠内胚层细胞的空间轴向分布。

该研究通过比较不同发育阶段的小鼠内胚层图谱,进一步揭示了内胚层形成的时空发育路径。发现内胚层先建立前肠和中后肠两个区域,然后形成前肠,前唇,中肠和后肠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,该课题组对胰腺早期分化路径进行了详细研究。此前,领域内普遍认为胰腺有两个内胚层起源,分别位于背腹侧前肠区域。但通过单细胞发育路径分析、体外成像追踪数据分析和遗传追踪,该研究确定了胰腺祖细胞共起源于中肠内胚层,随后分别沿着背侧和腹侧路径分化成相同的胰腺祖细胞类型。因此,该研究推翻了“胰腺起源于两个前肠内胚层区域”的论断,确定了的胰腺祖细胞来自中肠内胚层的发育路径。

3内胚层和胰腺祖细胞的发育路径。

该研究还分析了人胚胎内胚层细胞的空间分布和轴向相关基因和细胞信号,发现内胚层细胞发育路径在人和小鼠中基本保守,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。

这些结果从分子层面解析了早期内胚层精确的时空分化过程,揭示了内胚层的特化模式,为优化人类多能性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。

4 主要发现小结。

金沙娱东城app生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心徐成冉研究员为本文的通讯作者,金沙娱东城app生命科学学院、前沿交叉学科研究院博士后李林宸(现为北京协同创新研究院助理研究员)、生命科学学院博士生王信、许子然和海淀妇幼保健院王燕春医生为共同第一作者,金沙娱东城app冯烨博士、博士生杨柳、邱伟林博士、杨李博士和于欣欣博士以及北京协同创新研究院顾军教授也为该课题做出了重要贡献。该课题得到了国家重点研发计划、国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金及北大-清华生命科学联合中心的资助。

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