中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院教授張宏波團(tuán)隊(duì)與英國(guó)Sanger 研究所教授Sarah Teichmann團(tuán)隊(duì)合作，研究建立了首個(gè)人類肢體發(fā)育的單細(xì)胞時(shí)空?qǐng)D譜并解析關(guān)鍵調(diào)控機(jī)制。12月6日，相關(guān)成果在線發(fā)表于Nature。

“我們基于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)建立的首個(gè)人類肢體發(fā)育單細(xì)胞圖譜，解析了從肢體發(fā)生早期到形態(tài)完全形成的細(xì)胞演變路徑和細(xì)胞空間位置決定過(guò)程?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡邚埡瓴▽?duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示。

每500個(gè)新生兒就有一例四肢發(fā)育異常

“四肢發(fā)育異常是全球報(bào)告最多的出生綜合癥之一，全球大約每500個(gè)新生兒即可發(fā)現(xiàn)一例。”論文共同第一作者、張宏波團(tuán)隊(duì)博士后王帥玉表示，發(fā)育過(guò)程中，我們四肢的形成并非一蹴而就，而是經(jīng)歷過(guò)復(fù)雜的細(xì)胞演變過(guò)程。

據(jù)她介紹，在胚胎發(fā)育第四周末，四肢僅以簡(jiǎn)單的幾乎均一細(xì)胞團(tuán)形狀凸起出現(xiàn)在身體的兩側(cè)，但到了第八周，這一細(xì)胞團(tuán)則已經(jīng)完全分化，形成具有復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的四肢，并形成完整的手指和腳趾，這依賴于細(xì)胞之間非常迅速而精確的協(xié)調(diào)。對(duì)這一過(guò)程的任何微小擾動(dòng)都可能產(chǎn)生顯著的下游效應(yīng)。

因?yàn)橹w發(fā)育涉及細(xì)胞命運(yùn)決定和空間位置形成兩個(gè)經(jīng)典發(fā)育問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)其被作為發(fā)育生物學(xué)的重要模型進(jìn)行研究。在對(duì)小鼠、雞等模式動(dòng)物研究中，一系列肢體形成的基本問(wèn)題，如近遠(yuǎn)軸的幾個(gè)關(guān)鍵決定基因、前后軸的基本細(xì)胞定位和信號(hào)通路等已經(jīng)得到初步闡釋。然而，囿于技術(shù)和倫理限制，人類肢體形成的基本過(guò)程，如詳細(xì)的細(xì)胞演變路徑，決定細(xì)胞命運(yùn)的關(guān)鍵基因與疾病的聯(lián)系等尚未有研究。

“更重要的是，模式動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的肢體形成機(jī)制與人類有多大的相似性，以及有多大程度可以用于人類再生醫(yī)學(xué)實(shí)踐亦長(zhǎng)期存疑。近年來(lái)發(fā)展的單細(xì)胞技術(shù)使得在人類中直接研究肢體發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞命運(yùn)決定和空間位置形成成為可能?！闭撐墓餐谝蛔髡?、張宏波團(tuán)隊(duì)博士后張寶表示。

在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、英國(guó)Wellcome Trust等項(xiàng)目的支持下，該研究運(yùn)用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，利用肢體發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞演變過(guò)程的連續(xù)性，從多個(gè)時(shí)期不同個(gè)體取樣，繪制了包含所有細(xì)胞類型的人肢體發(fā)育細(xì)胞連續(xù)演變圖景并解析了其關(guān)鍵調(diào)控機(jī)制。

建立人類肢體發(fā)育的單細(xì)胞時(shí)空?qǐng)D譜

記者獲悉，研究人員結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)精確定位發(fā)育中肢體中細(xì)胞的確切位置，以及隨著發(fā)育時(shí)間變化細(xì)胞位置的變化規(guī)律。利用單細(xì)胞時(shí)空?qǐng)D譜，研究人員能夠追蹤在特定時(shí)間和特定區(qū)域產(chǎn)生的細(xì)胞類型、鑒定到新的細(xì)胞類型，并可以對(duì)相應(yīng)細(xì)胞類型詳細(xì)刻畫其激活的特定基因表達(dá)程序。這些時(shí)序性基因表達(dá)模式通常對(duì)塑造正在生長(zhǎng)的四肢具有重要調(diào)節(jié)作用。

張宏波表示，作為研究的一部分，我們證明這些基因模式對(duì)手和腳趾的形成有影響，并識(shí)別出關(guān)鍵調(diào)控基因。對(duì)組織進(jìn)行染色進(jìn)一步清楚地揭示了構(gòu)成手指和腳趾的原始細(xì)胞類型如何以不同的方式將自身排列成形成指和趾的雛形，并確定了相應(yīng)細(xì)胞類型的特異表達(dá)基因。當(dāng)這些基因的表達(dá)不遵循既定模式時(shí)，將導(dǎo)致特定的發(fā)育表型，如短指（手指或腳趾短）和多指（多余的手指或腳趾）發(fā)育異常等。

研究人員還重點(diǎn)分析了構(gòu)成肢體的骨骼肌，以及由肢體間充質(zhì)細(xì)胞發(fā)育形成的組織類型的細(xì)胞發(fā)育模式。研究清晰鑒定到人類骨骼肌的兩條形成路徑以及各路徑的特異表達(dá)基因，這些認(rèn)識(shí)對(duì)后續(xù)進(jìn)一步確定骨骼肌形成過(guò)程中的細(xì)胞命運(yùn)歧化關(guān)鍵調(diào)節(jié)基因和機(jī)制具有重要的提示作用。

有趣的是，該研究發(fā)現(xiàn)調(diào)控上下肢差異決定的PITX1基因在調(diào)控不同肢體的骨骼肌形成卻可能具有統(tǒng)一的機(jī)制。研究人員還同步獲得了小鼠四肢的發(fā)育的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)四肢發(fā)育的許多方面在人類和小鼠之間具有極高相似性。

“該研究在單細(xì)胞水平和2D空間結(jié)構(gòu)層面解析了人類肢體，這一復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)如何形成的過(guò)程?！睆埡瓴ū硎?，該研究為進(jìn)一步跨物種深入研究肢體發(fā)育的詳細(xì)調(diào)節(jié)機(jī)制、肢體發(fā)育異常的細(xì)胞生理機(jī)制，乃至更廣泛的發(fā)育和再生過(guò)程中細(xì)胞命運(yùn)調(diào)節(jié)機(jī)制和空間位置建成機(jī)制提供了重要參考。

單細(xì)胞圖譜的構(gòu)建及細(xì)胞類型的時(shí)空分布。受訪者供圖，下同

趾和趾間的形成及調(diào)節(jié)機(jī)制

人類兩輪骨骼肌形成的路徑和細(xì)胞分化調(diào)節(jié)基因

相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06806-x

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)