2024年4月，中國科學(xué)家在國際期刊Cell（IF=64.5）發(fā)表題為3D reconstruction of a gastrulating human embryo的文章。中國科學(xué)院動(dòng)物研究所于樂(lè )謙研究員、郭靖濤研究員、王曉琰博士、中國農業(yè)大學(xué)魏育蕾教授為本文通訊作者。中國科學(xué)院動(dòng)物研究所王紅梅研究員為資深作者。通過(guò)構建CS8完整胚胎中不同細胞類(lèi)型與基因表達的三維空間分布點(diǎn)云圖，突破性地通過(guò)數字3D重構了首個(gè)完整人類(lèi)原腸胚模型，填補了原腸胚階段人類(lèi)胚胎各細胞譜系發(fā)育知識的空白。（安諾優(yōu)達有幸為該研究提供了Stereo-seq實(shí)驗以及技術(shù)支持。）

原腸胚形成，是囊胚內的胚細胞遷移、轉變形成復雜精妙的多維結構的過(guò)程，它奠定了不同細胞譜系與空間模式的基石。然而，當前研究多依賴(lài)模式動(dòng)物、靈長(cháng)類(lèi)囊胚體外培養或多能干細胞的胚胎模型，這些方法無(wú)法直接理解人類(lèi)原腸胚的奧秘。同時(shí)，已有數據集缺乏空間定位信息，難以精確界定細胞亞型，實(shí)現完整定位。因此，系統性地揭示人類(lèi)原腸胚形成過(guò)程中的基本細胞和分子特征，是一項艱巨而獨特的挑戰，亟待科學(xué)家深入探索與攻克。

01 豐富：對CS8人類(lèi)胚胎進(jìn)行62張的連續切片，進(jìn)行了Stereo-seq高分辨率的空間轉錄組研究。

02 立體：三維重構了人類(lèi)CS8胚胎的3D模型，并鑒定關(guān)鍵位置的一系列細胞亞型。

03 系統：整體性地描繪了胚胎形態(tài)、細胞類(lèi)群、空間位置和轉錄組特征，闡述了原腸胚形成過(guò)程中細胞發(fā)育過(guò)程、譜系軌跡變化和一系列調控活動(dòng)。

04 創(chuàng )新：開(kāi)創(chuàng )性地發(fā)現了CS8時(shí)期的人類(lèi)胚胎尾部很可能存在一個(gè)和中部脊索類(lèi)似的組織中心，為窺探人類(lèi)極早期胚胎發(fā)育提供了重要窗口。

時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq & DNBSEQ-T7 PE100

01 CS8時(shí)期原腸胚的空間轉錄組學(xué)分析和三維重建

研究對形態(tài)完整的CS8人類(lèi)胚胎沿著(zhù)前后(A-P)軸進(jìn)行冷凍橫切，以1片為間隔，共獲取62張橫向切片進(jìn)行Stereo-seq時(shí)空轉錄組實(shí)驗，形成整個(gè)胚胎的空間轉錄組圖譜。

首先，在數據處理中，研究者采用bin50（大約1個(gè)細胞）的分辨率進(jìn)行下游分析，整合構建二維空間轉錄組圖譜。

其次，通過(guò)整合差異表達基因（DEGs）、已知標記物和空間信息，研究者鑒定出13個(gè)主要簇，包括外胚層、原腸泌細胞、脊索、中胚層等。

再次，對整個(gè)樣本的空間轉錄組進(jìn)行3D重建，利用鄰片轉錄本相似性和相鄰切片中點(diǎn)之間的物理距離，將多張切片進(jìn)行配準對齊，并為每個(gè)空間捕獲點(diǎn)分配x-y-z三維坐標。

最后，生成不同細胞類(lèi)型與基因表達的三維空間分布點(diǎn)云圖，通過(guò)細化、增強和局部渲染著(zhù)色，形成了胚胎中不同細胞類(lèi)型空間域的3D模型（左右兩種模型，兼容胚外組織）。

02 細胞類(lèi)型的三維空間分布和相關(guān)的分子調控網(wǎng)絡(luò )

在3D模型中，不僅可以提取單張切片二維的轉錄本和細胞分布信息，還可以沿著(zhù)A-P軸進(jìn)行三維可視化，并驗證已知標記物的三維表達模式。將基因調控富集結果映射至三維空間，關(guān)鍵轉錄因子調控原腸胚形成過(guò)程中具備著(zhù)明顯的空間特異模式，且這種空間特征與已知的解剖學(xué)特征高度吻合，這也揭示了原腸胚發(fā)育的復雜性。

研究者同時(shí)建立并發(fā)布了可互動(dòng)共享網(wǎng)站：cs8.3dembryo.com，便于后續的研究者理解和使用。

03 早期人類(lèi)胚胎發(fā)育關(guān)鍵信號通路的空間表達模式

通過(guò)細胞通訊結合已有研究，確定不同細胞類(lèi)型中動(dòng)態(tài)表達的關(guān)鍵信號通路。值得注意的是，A-P軸的SHH信號通路、受體和輔助因子均在胚胎尾部出現了第二個(gè)表達峰，即除已有研究說(shuō)明的中部高活性位點(diǎn)外，尾部極有可能也存在一個(gè)高活性位點(diǎn)。胚胎尾部可能存在新的信號源和“組織者（organizer）中心”，這為窺探人類(lèi)極早期胚胎發(fā)育提供了重要窗口。

在本研究中，通過(guò)構建完整的CS8人類(lèi)胚胎3D模型，將單個(gè)細胞的空間信息與其基因表達譜相結合，系統描繪了胚胎形態(tài)、細胞類(lèi)群、空間位置和轉錄組特征，準確注釋了不同的細胞亞型，深度解析了重要胚外組織羊膜細胞發(fā)育過(guò)程和卵黃囊造血譜系特化，重點(diǎn)發(fā)現了參與早期發(fā)育的不同信號通路采用不同的策略沿胚胎A-P軸建立差異激活的特點(diǎn)。這項研究不僅可以確定人類(lèi)原腸胚形成過(guò)程的關(guān)鍵細胞和分子特征，還可以指導今后干細胞衍生的人類(lèi)胚胎模型的生成。

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