在胚胎从原肠运动到器官形成的过渡中，基于早期祖细胞形成的细胞多样性正急速增多。在以往研究中，对脊椎动物的这些过程的研究往往在模式生物中进行，比如小鼠和斑马鱼。受技术方面的挑战以及伦理的限制，其在人类胚胎中的保守程度还不为人所知。
近日，Nature Cell Biology 杂志发表了关于人类胚胎发育的研究论文，题为《单细胞转录组图谱描述人类胚胎的早期器官发育过程》（A single-cell transcriptome atlas profiles early organogenesis in human embryos）[1]。
该论文的通讯作者是中国海洋大学施威扬教授与美国纪念斯隆凯特琳癌症研究所鲍志戎教授，该论文的第一作者是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。
胚胎发育由于时间短、过程精确，已经被研究多年。但人类胚胎发育的早期窗口对发育生物学家来说，基本上是“黑箱”。人类胚胎 4-6 周时，很多器官如四肢、肺等都刚开始发育，出现了前体结构。为了解析这一过程，该研究采用了单细胞测序技术，通过研究人类胚胎在 4-6 周即卡内基阶段（Carnegie stage（CS）12-16）的窗口，提供了早期人类胚胎全面的单细胞转录组图谱。
以逾 18 万个单细胞转录组为前提，该团队在 18 个发育系统中生成了一个包括 313 个类的综合图谱，研究人员收集了 157 篇文献中的细胞类型以及标记基因信息对这些类进行注释。与胚胎切片的空间转录组整合后，发现了以前未知的细胞类型的分子特征和空间模式。该研究展示了人类器官早期祖细胞的集合，并可作为器官发生过程中谱系分析的根基。
据介绍该研究分为三个阶段。首先是胚胎取样和测序阶段，大概持续了一年时间，获得了需要的数据。然后，鉴定数据中的细胞类型，这一阶段非常重要，且需要对文献内容进行细致整理和对数据做注释，即对表达特定标志基因的类确定其细胞类型身份。最后一个阶段，则是从数据中挖掘生物学知识，例如与其它物种比较揭示发育过程的保守性和差异性。
随着不同脊椎动物的胚胎数据的收集，跨物种分析变得越来越全面。在该工作中，研究人员表明脊椎动物的胚胎发生包括四个保守的发育阶段，具有鲜明的时间界限。这是一个意想不到的概念，即脊椎动物的胚胎发生可能需要阶段转换的系统性调控，而这种调控可能由一种 RNA 结合蛋白（LIN28A）介导。该研究通过单细胞测序数据定义了系统性变化的基因，表明单细胞测序可以有力地研究系统性调控，尽管它通常被用来研究细胞类型的特异现象。
另一方面，对个别器官和细胞类型的详细跨物种比较可以揭示潜在的人类特异性调控，如人类和鼠类在神经管的模式化和肢体芽的软骨生成方面的差异。
单细胞研究的积累和数据整合是人类细胞图谱计划的关键。研究者与 10-26 周的胎儿器官数据进行系统整合，表明第 6-10 周是一个关键空白，需要填补以实现分化轨迹的重构。另外，该研究提供了人胚体内发育的基准，可以评估体外模型对发育的模拟程度，这些模型的最终产品应该与体内的分化过程和细胞类型相匹配。同样，这一数据集也为再生医学的干细胞工程提供指导。
这项工作可以让研究者对胚胎器官发生阶段的基因表达有全面的了解，在医学上会有重要的应用。例如，很多出生缺陷都出现在器官发生时期，基于目前的数据线索，可以探索出生缺陷的机制；另一个例子是新生儿肿瘤，有些肿瘤直接来源于胚胎，这项研究可以帮助寻找肿瘤的组织来源。
“单细胞测序固然是一个有力工具，但如何与经典的生物学知识和传统的实验方法结合也非常重要。”徐一驰说。
他还表示，一方面在这项研究中的大部分数据是通过单细胞测序获得，缺失精细的空间信息，而空间信息对于理解分化机制至关重要。另一方面，目前的数据仅在基因表达的层面，关于中心法则所涉及的其它方面也有待研究，例如表观遗传和蛋白质水平的变化等。因此，他还将开展后续的研究。
1. Xu, Y., Zhang, T., Zhou, Q.et al. A single-cell transcriptome atlas profiles early organogenesis in human embryos. Nature Cell Biology 25, 604–615 (2023). .