人的生命始于精子與卵子融合形成受精卵（胚胎期第0天；Embryonic day 0；E0），受精卵經(jīng)歷卵裂形成囊胚，囊胚在E7左右種植到母體子宮進(jìn)一步發(fā)育。E14開始，胚胎經(jīng)歷原腸運(yùn)動(dòng)，胚胎后部細(xì)胞發(fā)生大規(guī)模定向遷移，并形成原條細(xì)胞。原條細(xì)胞進(jìn)一步分化為中胚層和定型內(nèi)胚層（definitive endoderm），同時(shí)胚胎前部細(xì)胞分化為外胚層。

基于此，胚胎發(fā)育成為具有內(nèi)胚層、中胚層和外胚層的三胚層胚胎。經(jīng)過(guò)復(fù)雜的信號(hào)通路調(diào)控，三胚層胚胎進(jìn)一步形成各種器官原基，并最終形成我們身體中包括神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、心血管循環(huán)系統(tǒng)、泌尿生殖系統(tǒng)等所有系統(tǒng)的各種器官。原腸運(yùn)動(dòng)和三胚層分化異常與多種出生缺陷（如先天性心臟病和神經(jīng)管畸形等）和發(fā)育源性疾病相關(guān)。探索人類早期胚胎發(fā)育過(guò)程及機(jī)制對(duì)于這些疾病的診斷和治療至關(guān)重要。

為了精準(zhǔn)地描述不同發(fā)育時(shí)期人類胚胎特征并進(jìn)行物種間胚胎發(fā)育比較，自20世紀(jì)早期美國(guó)卡耐基研究所的Franklin Mall等將人類胚胎發(fā)育的前60天（E0-E60）劃分為23個(gè)發(fā)育時(shí)期，即Carnegie stage（CS1-CS23）。目前，通過(guò)體外胚胎培養(yǎng)等方法，人類CS1-CS6（E0-E14）胚胎發(fā)育事件已被多個(gè)團(tuán)隊(duì)解析；借助一枚寶貴的在體胚胎，人類CS7胚胎的關(guān)鍵發(fā)育事件（原腸運(yùn)動(dòng)等）也開始被闡明。然而，由于臨床診療規(guī)范限制，人CS8-11的正常胚胎極難獲得，因此尚無(wú)關(guān)于在此階段發(fā)生的中晚期原腸運(yùn)動(dòng)和早期器官發(fā)育事件的研究。非人靈長(zhǎng)類（如食蟹猴）在進(jìn)化、生理特征及胚胎發(fā)育方面與人類高度類似，可作為研究人類早期胚胎發(fā)育的替代模型。由于人類早期胚胎難于獲得，一些人類早期胚胎上難以回答的問(wèn)題可借助非人靈長(zhǎng)類胚胎實(shí)現(xiàn)。

中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所王紅梅和郭帆團(tuán)隊(duì)、美國(guó)德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心吳軍團(tuán)隊(duì)以及安徽醫(yī)科大學(xué)蔣祥祥團(tuán)隊(duì)合作，在《自然》（Nature）上，發(fā)表了題為Primate gastrulation and early organogenesis at single-cell resolution的研究論文。該研究以食蟹猴為模型，利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和干細(xì)胞分化模型等，繪制了食蟹猴CS8-CS11時(shí)期（E20-E29）胚胎的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，揭示了原腸運(yùn)動(dòng)和三胚層分化（神經(jīng)管、體節(jié)、腸管等的發(fā)育）過(guò)程中重要細(xì)胞類群的特征及其譜系發(fā)生和調(diào)控機(jī)制，并比較了嚙齒類和靈長(zhǎng)類早期胚胎發(fā)育事件的進(jìn)化差異。

研究收集了CS8-CS11階段的食蟹猴胚胎，利用10X單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)捕獲了56636個(gè)單細(xì)胞并進(jìn)行生物信息學(xué)分析，明確定義了食蟹猴該時(shí)期的38個(gè)主要細(xì)胞類群，繪制了目前國(guó)際上第一張靈長(zhǎng)類CS8-CS11胚胎的高通量單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜（圖1）。

嚙齒類動(dòng)物（小鼠）原腸運(yùn)動(dòng)階段的胚胎三胚層細(xì)胞分化過(guò)程已有相對(duì)全面清晰的描述，但在靈長(zhǎng)類動(dòng)物上的研究仍非常有限。為了探討靈長(zhǎng)類原腸運(yùn)動(dòng)階段胚胎三胚層細(xì)胞分化的精細(xì)過(guò)程，研究通過(guò)RNA軌跡分析描繪了原條細(xì)胞的三向分化潛能——初始中胚層（nascent mesoderm）、定型內(nèi)胚層和原結(jié)（node）。其中，初始中胚層可進(jìn)一步分化為神經(jīng)中胚層祖細(xì)胞（neuromesoderm progenitor，NMP）、前體節(jié)中胚層（presomite mesoderm，PSM）、軸旁中胚層（paraxial mesoderm）、中間中胚層（intermediate mesoderm）、側(cè)板中胚層（lateral plate mesoderm）、生心中胚層（cardiac mesoderm）和胚外中胚層（extraembryonic mesoderm）等細(xì)胞類型；定型內(nèi)胚層與原腸運(yùn)動(dòng)之前形成的臟壁內(nèi)胚層（visceral endoderm）共同貢獻(xiàn)于腸管（gut tube）的形成；原結(jié)進(jìn)一步參與軸正中中胚層（axial mesoderm）的形成。此外，研究基于生物信息學(xué)分析推測(cè)，由外胚層分化而來(lái)的神經(jīng)管前后不對(duì)稱和背腹不對(duì)稱的發(fā)育模式是由WNT、SHH和TGB-β等信號(hào)在胚胎前后軸和背腹軸的不對(duì)稱表達(dá)所介導(dǎo)。

哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育過(guò)程在進(jìn)化上高度保守，但不同物種哺乳動(dòng)物的早期胚胎發(fā)育過(guò)程存在特異的分子特征。研究全面比較了相同發(fā)育階段的小鼠和食蟹猴胚胎的轉(zhuǎn)錄組差異（圖3），揭示了兩物種胚胎中對(duì)應(yīng)細(xì)胞類型的分化調(diào)控異同。研究發(fā)現(xiàn)，T、EOMES和TBX6基因在小鼠和食蟹猴的原條、初始中胚層、神經(jīng)中胚層祖細(xì)胞和外胚層細(xì)胞中的表達(dá)模式不同。此外，與小鼠相比，Hippo信號(hào)通路的多個(gè)下游基因在食蟹猴的NMP/PSM中被顯著上調(diào)。為剖析Hippo信號(hào)通路在靈長(zhǎng)類動(dòng)物與嚙齒類動(dòng)物NMP/PSM形成過(guò)程中的不同作用，研究構(gòu)建了人、猴和小鼠胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)產(chǎn)生的NMP/PSM體外模型，同時(shí)，通過(guò)添加抑制劑等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Hippo信號(hào)通路在靈長(zhǎng)類NMP/PSM細(xì)胞仍保持高度活化狀態(tài)，而在小鼠NMP/PSM細(xì)胞中被抑制（圖3）。由此，研究推測(cè)，Hippo信號(hào)通路在人和猴NMP/PSM細(xì)胞中的高度活化狀態(tài)可能與靈長(zhǎng)類胚胎體軸更長(zhǎng)、胚胎體積更大及發(fā)育周期更長(zhǎng)等體征密切相關(guān)。

基于干細(xì)胞的人類胚胎模型（類胚胎）對(duì)人胚胎早期發(fā)育研究至關(guān)重要。近年來(lái)，類原腸胚、類神經(jīng)胚、心臟類器官及類體節(jié)的模型相繼構(gòu)建成功。然而，由于缺乏靈長(zhǎng)類動(dòng)物體內(nèi)相應(yīng)時(shí)期胚胎的發(fā)育數(shù)據(jù)，這些胚胎模型對(duì)在體真實(shí)胚胎的模擬程度無(wú)法被直接證實(shí)。本研究為未來(lái)相應(yīng)時(shí)期胚胎模型的構(gòu)建提供了在體的比對(duì)數(shù)據(jù)。同時(shí)，研究利用這一在體數(shù)據(jù)，初步探究上述胚胎模型與在體胚胎的相似度，發(fā)現(xiàn)上述胚胎模型在細(xì)胞類型方面與在體胚胎存在一定相似性，但在關(guān)鍵信號(hào)通路激活程度、轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)等多方面與在體胚胎存在差異。

綜上，本研究揭示了靈長(zhǎng)類動(dòng)物原腸運(yùn)動(dòng)至早期器官發(fā)育階段胚胎的細(xì)胞組分與分子特征、細(xì)胞譜系發(fā)生過(guò)程及分子調(diào)控機(jī)制。該工作推進(jìn)了靈長(zhǎng)類胚胎原腸運(yùn)動(dòng)至早期器官發(fā)育階段領(lǐng)域的研究進(jìn)展，為人類胚胎模型的研究提供了必要的在體數(shù)據(jù)參考，并為闡釋人類早期胚胎發(fā)育過(guò)程的調(diào)控機(jī)理以及發(fā)育異常相關(guān)疾病的病理奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖1.CS8-CS11時(shí)期食蟹猴胚胎的明場(chǎng)圖（左）與38種主要細(xì)胞類群（右）