8月8日，國際學術期刊《自然》（Nature）在線發表了中國科學院分子細胞科學卓越創新中心/生物化學與細胞生物學研究所景乃禾研究組、中國科學院-馬普學會計算生物學夥伴研究所韓敬東研究組與中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院/廣州再生醫學與健康廣東省實驗室彭廣敦課題組共同合作的最新研究成果。
哺乳動物早期胚胎發育通過多個層次的細胞命運決定，形成了器官發生、形態建成的整個發育藍圖，是生命體最重要的分子事件之一。早期胚胎發育過程伴隨著全能性的維持、分化及各種多能幹細胞的次序決定。這一過程的調控對整個胚胎的發育產生了深遠的影響。因此研究早期胚胎譜系建立的過程、不同胚層和組織前體的發生，尤其是其分子調控機制，能夠指導胚胎幹細胞及各種多能幹細胞的分化和進一步轉化醫學應用，因而具有極其重要的生物學意義。
在早期胚胎發育階段，受精卵通過細胞增殖和細胞分化形成囊胚；囊胚在子宮著床後經過原腸運動（Gastrulation）形成外、中、內三個胚層。原腸運動在進化上非常保守，其機制受到精細而嚴謹的調控。通過經典的細胞標記移植和譜系追蹤等方法，研究者發現細胞的空間位置對於細胞命運具有重要的影響。近些年，通過單細胞測序國際上的眾多研究工作對原腸運動期間細胞的發育軌跡作了一些描繪，但這些工作都缺乏真實的時間與空間信息，無法揭示細胞在早期胚胎中的空間位置以及時間變化對細胞發育分化命運的影響。
為解決上述難題，研究人員首先利用空間轉錄組分析方法（Geo-seq）(Chen et al., 2017)，對小鼠早期胚胎發育多個時期（E5.5、E6.0、E6.5、E7.0和E7.5）的外、中、內三個胚層構建空間轉錄組，建立起百科全書式全基因組的時空表達資料庫（http://egastrulation.sibcb.ac.cn/）。此資料庫實現了小鼠早期胚胎所有表達基因高解析度的數位化原位雜交圖譜，是目前國際上關於小鼠著床後早期胚胎最全面、最完整的交互性時空轉錄組資料庫。在此基礎上，研究人員借鑑更具生物學意義、更加穩健的SCENIC數據分析方法(Aibar et al., 2017)，結合著床前胚胎的轉錄組數據，將發育過程中最重要的時間和空間信息聯合分析，構建了小鼠早期胚胎發育過程的系統發生樹，並從分子層面重構了胚層譜系的發生過程。最後，研究人員結合功能實驗，首次發現Hippo/Yap信號通路在內胚層譜系發生過程中具有重要作用，同時也找到了許多在胚層譜系發生過程中關鍵的轉錄因子。這項工作為理解胚層譜系建立及多能幹細胞的命運調控機制，提供了翔實數據和嶄新思路，是對經典發育生物學層級譜系理論的重要修正和補充，將推動早期胚胎發育和幹細胞再生醫學相關領域的發展。
該研究主要由景乃禾研究組、韓敬東研究組與彭廣敦課題組共同合作完成。廣州生物院研究員彭廣敦、中科院-馬普學會計算生物學夥伴研究所博士索生寶、生化與細胞所博士崔桂忠和禹方為該論文的共同第一作者，景乃禾、韓敬東和彭廣敦為該論文的共同通訊作者。該工作得到中科院動物研究所研究員周琪、雪梨大學教授Patrick P.L. Tam、生化與細胞所化學生物學技術平臺、高性能計算存儲與網絡服務平臺和動物實驗技術平臺的大力支持。這項工作得到中科院戰略性先導科技專項、國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、廣東省科學技術基金、廣州再生醫學與健康廣東省實驗室前沿探索項目、上海市自然科學基金和上海市科學技術委員會的資助。
圖：早期胚胎發育時期胚胎空間轉錄組的空間表達結構域及其相似性。A，小鼠著床後早期（E5.5）到原腸運動晚期（E7.5）不同時期的空間表達結構域；B，早期胚胎空間表達結構域的相似性。不同時期的顏色條代表基因表達結構域，MOR-桑椹胚，ICM-內細胞團，Epi-上胚層，PrE-原始內胚層，En-內胚層，E1-內胚層基因表達結構域1，Ect-外胚層，PS-原條，M-中胚層，MA-前端中胚層，MP-後端中胚層。計算結構域之間的相關性，連接線的粗細表示相對相關性大小。