Nat Cell Biol：施威扬 / 鲍志戎组合作绘制人类胚胎器官发生时期单细胞图谱

我们对人胚的早期发育还知之甚少，知识来源主要是小鼠胚胎或体外培养人胚，小鼠胚胎无疑会忽略人鼠差异，体外培养则不能超过两周，导致 2～4 周是人胚研究的黑盒子期。而 4 周正是人胚器官发生的初期，此时胚胎刚结束原肠运动，很多器官开始从胚层中脱离形成初始结构，也就是各个成体器官最早的特异的祖先状态。同时，很多出生缺陷也发生在器官发生时期。另外，这时也是门特征阶段（phylotypic stage），即脊索动物门中各物种胚胎在这个时期高度保守。所以器官发生时期对于人胚研究非常关键。

 

2023 年 3 月 16 日，中国海洋大学施威扬课题组与美国纪念斯隆凯特琳癌症研究所鲍志戎课题组合作在 Nature Cell Biology 上发表了文章 A single-cell transcriptome atlas profiles early organogenesis in human embryos，构建了人类胚胎在器官发育初期（4～6 周）的单细胞转录组图谱，深度刻画了各个器官最初的特异的祖先状态，并发现未知细胞类型和人特异的空间模式，以及脊椎动物中保守的阶段调控机制。

首先，作者收集了 8 个捐赠的胚胎进行单细胞测序和空间转录组分析，设计了基于已知知识的半监督迭代聚类算法，形成属于 18 个发育系统的 313 个类。通过从 157 篇文献中总结细胞类型信息，将其中近 70% 的类注释到细胞类型的水平，类型的空间位置符合预期（图一）。

图一：早期人胚的单细胞测序（a）和空间转录组（b）。

其次，作者针对三个发育系统进行细致的研究（图二）。在头部中胚层中，相较于文献中对其内部结构从前到后的 7 段划分，作者发现 5 个未知类型在两个体轴上的不同空间分布。在四肢芽中，作者重构出三个发育阶段共 31 个区域的空间图，是目前精度最高的四肢芽空间图，并发现软骨的一种亚型（PTHLH+）在人鼠之间有异时性。在神经管中，虽然其背腹轴上的分化在脊椎动物中很保守，但作者发现上游转录因子 MSX2 在人中有特异于鼠的表达，并且是同源补偿效应产生的。

图二：（a）头部中胚层的未知类型；（b）四肢芽的精细空间结构和人鼠差异；（c）神经管中 MSX 家族基因的同源补偿效应。

 

最后，作者进行了两项整合研究。第一，将人胚和小鼠、爪蟾和斑马鱼胚胎数据进行整合，发现脊椎动物胚胎期有明确的阶段划分，而阶段转化可能由异时性基因 LIN28A 介导。第二，通过与妊娠二期的人胚数据整合，指出目前胚胎期数据仍较稀疏而阻碍了完整轨迹的构建。

总结来说，该研究深度刻画了人胚器官发生时期的细胞类型，为理解进化过程、寻找出生缺陷因素提供了线索，也为人体器官的体外诱导提供了有效的参考系。

中国海洋大学施威扬教授和美国纪念斯隆凯特琳癌症研究所鲍志戎教授为本文的共同通讯作者，美国纪念斯隆凯特琳癌症研究所徐一驰博士和同济大学张腾娇博士为共同第一作者，该工作受昆山中医院王丽慧医生的大力支持。