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Nature | 中山大学张宏波等团队合作在空间和时间上解析人类胚胎肢体细胞图谱

临床研究

2023-12-13      

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人类四肢在受孕后的第四周以间充质芽的形式出现,在随后的几个月内发育成完全形成的肢体。这一过程由许多时间和空间限制的基因表达程序协调,使表型的先天性改变很常见。几十年来对模式生物的研究已经确定了脊椎动物肢体发育的基本机制,但尚未对人类的这一过程进行深入表征。

2023年12月6日,中山大学张宏波及英国Sanger 研究所Sarah Teichmann共同通讯在Nature 在线发表题为“A human embryonic limb cell atlas resolved in space and time”的研究论文,该研究使用单细胞和空间转录组学详细介绍了人类胚胎肢体在空间和时间上的发育。该研究展示了从几个多能祖细胞到无数分化细胞状态的广泛多样性,包括几个新的细胞群。该研究揭示了人类肌肉发育的两波,每波的特征都是由不同的基因表达程序调节的不同细胞状态,并将肌肉蛋白(MSC)确定为维持肌肉干细胞身份的关键转录抑制因子。

通过使用VisiumStitcher组装多个解剖学上连续的空间转录组样本,作者绘制了整个胎儿后肢矢状截面上的细胞图。该研究揭示了与短指和多指相关基因之间的明确解剖学分离,并揭示了自足中间充质的转录和空间上不同的群体。最后,对小鼠胚胎肢体进行单细胞RNA测序,以促进跨物种发育比较,发现两个物种之间具有实质性的同源性。总之,该工作提供了第一个完整的人类胚胎组织的细胞图谱,提供了其发育的详细时空模型,并为单细胞,空间和发育生物学社区提供了丰富的资源。

人类的肢体芽在受孕后的第四个星期(PCW)结束时出现,并在妊娠的前三个月发育成手臂和腿。通过研究像老鼠和小鸡这样的模式生物,肢体芽的发育开始于两个主要组成部分。顶骨外侧板中胚层(LPM)细胞凝结进入骨骼系统,形成肌腱、纤维和平滑肌群,而骨骼肌祖细胞(SkMP)从近轴中胚层迁移到肢场,形成横纹肌。中胚层被包裹在一层薄薄的外胚层中,其中的一个亚群(顶端外胚层脊)通过成纤维细胞生长因子(FGF)信号控制间充质细胞的增殖并帮助肢轴的形成。肢体成熟以近端-远端方式继续进行,受时间和空间限制的基因表达程序的复杂系统控制,其中微小的扰动可能导致肢体结构和功能的深刻变化。
事实上,大约每500人中就有1人天生患有先天性肢体畸形。尽管模式生物为细胞命运和形态发生提供了关键的见解,但它们的生物学如何精确地转化为人类发育和疾病仍不清楚。此类研究中缺乏互补的空间信息,进一步阻碍了人类肢体发育的综合组织目录的组装。
该研究进行了单细胞转录组RNA测序(scRNA-seq)和空间转录组测序,以详细描述人类后肢(或下肢)在空间和时间上的发育。作者从125,955个捕获的单细胞中鉴定出67个不同的细胞簇,并在四个孕早期时间点对它们进行空间映射,以揭示肢体发育的新线索。在此过程中,作者发现了几个新的细胞状态。确定了坐骨神经周围的神经成纤维细胞和肌腱谱系中的两个簇,这些簇映射到肌腱和肌围膜。在自细胞中,描述了三个具有细微差异转录组的细胞簇,它们被映射到不同的区域:远端(LHX2+ MSX1+ SP9+), RDH10+远端(RDH10+ LHX2+ MSX1+)和过渡(IRX1+ MSX1+)间质。
胚胎和胎儿肢体肌发生的细胞轨迹和转录因子(图源自Nature 
通过对足板的空间转录组学分析,作者将生理基因表达模式与手指表型的遗传条件联系起来,证明了发育细胞图谱项目的临床相关性。该研究还提出了肢体原发性和继发性肌肉形成重叠过程的精细模型,同时确定并验证了MSC在肌肉干细胞维持中的关键作用。作者提出了一个具有统一注释的综合跨物种地图集,进一步最大化了本研究的效用。总之,该工作提供了第一个完整的人类胚胎组织的细胞图谱,提供了其发育的详细时空模型,并为单细胞,空间和发育生物学社区提供了丰富的资源。

原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06806-x



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用户_64227da69a1af

11个月前

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