2024年4月 ，中国科学家在国际期刊Cell（IF=64.5）发表题为3D reconstruction of a gastrulating human embryo的文章 。中国科学院动物研究所于乐谦研究员 、郭靖涛研究员 、王晓琰博士 、中国农业大学魏育蕾教授为本文通讯作者 。中国科学院动物研究所王红梅研究员为资深作者 。通过构建CS8完整胚胎中不同细胞类型与基因表达的三维空间分布点云图 ，突破性地通过数字3D重构了首个完整人类原肠胚模型 ，填补了原肠胚阶段人类胚胎各细胞谱系发育知识的空白 。（尊龙凯时有幸为该研究提供了Stereo-seq实验以及技术支持 。）
原肠胚形成 ，是囊胚内的胚细胞迁移 、转变形成复杂精妙的多维结构的过程 ，它奠定了不同细胞谱系与空间模式的基石 。然而 ，当前研究多依赖模式动物 、灵长类囊胚体外培养或多能干细胞的胚胎模型 ，这些方法无法直接理解人类原肠胚的奥秘 。同时 ，已有数据集缺乏空间定位信息 ，难以精确界定细胞亚型 ，实现完整定位 。因此 ，系统性地揭示人类原肠胚形成过程中的基本细胞和分子特征 ，是一项艰巨而独特的挑战 ，亟待科学家深入探索与攻克 。
01 丰富 ：对CS8人类胚胎进行62张的连续切片 ，进行了Stereo-seq高分辨率的空间转录组研究 。
02 立体 ：三维重构了人类CS8胚胎的3D模型 ，并鉴定关键位置的一系列细胞亚型 。
03 系统 ：整体性地描绘了胚胎形态 、细胞类群 、空间位置和转录组特征 ，阐述了原肠胚形成过程中细胞发育过程 、谱系轨迹变化和一系列调控活动 。
04 创新 ：开创性地发现了CS8时期的人类胚胎尾部很可能存在一个和中部脊索类似的组织中心 ，为窥探人类极早期胚胎发育提供了重要窗口 。
时空组学技术Stereo-seq & DNBSEQ-T7 PE100
01 CS8时期原肠胚的空间转录组学分析和三维重建
研究对形态完整的CS8人类胚胎沿着前后(A-P)轴进行冷冻横切 ，以1片为间隔 ，共获取62张横向切片进行Stereo-seq时空转录组实验 ，形成整个胚胎的空间转录组图谱 。
首先 ，在数据处理中 ，研究者采用bin50（大约1个细胞）的分辨率进行下游分析 ，整合构建二维空间转录组图谱 。
其次 ，通过整合差异表达基因（DEGs） 、已知标记物和空间信息 ，研究者鉴定出13个主要簇 ，包括外胚层 、原肠泌细胞 、脊索 、中胚层等 。
再次 ，对整个样本的空间转录组进行3D重建 ，利用邻片转录本相似性和相邻切片中点之间的物理距离 ，将多张切片进行配准对齐 ，并为每个空间捕获点分配x-y-z三维坐标 。
最后 ，生成不同细胞类型与基因表达的三维空间分布点云图 ，通过细化 、增强和局部渲染着色 ，形成了胚胎中不同细胞类型空间域的3D模型（左右两种模型 ，兼容胚外组织） 。
02 细胞类型的三维空间分布和相关的分子调控网络
在3D模型中 ，不仅可以提取单张切片二维的转录本和细胞分布信息 ，还可以沿着A-P轴进行三维可视化 ，并验证已知标记物的三维表达模式 。将基因调控富集结果映射至三维空间 ，关键转录因子调控原肠胚形成过程中具备着明显的空间特异模式 ，且这种空间特征与已知的解剖学特征高度吻合 ，这也揭示了原肠胚发育的复杂性 。
研究者同时建立并发布了可互动共享网站 ：cs8.3dembryo.com ，便于后续的研究者理解和使用 。
03 早期人类胚胎发育关键信号通路的空间表达模式
通过细胞通讯结合已有研究 ，确定不同细胞类型中动态表达的关键信号通路 。值得注意的是 ，A-P轴的SHH信号通路 、受体和辅助因子均在胚胎尾部出现了第二个表达峰 ，即除已有研究说明的中部高活性位点外 ，尾部极有可能也存在一个高活性位点 。胚胎尾部可能存在新的信号源和“组织者（organizer）中心” ，这为窥探人类极早期胚胎发育提供了重要窗口 。
在本研究中 ，通过构建完整的CS8人类胚胎3D模型 ，将单个细胞的空间信息与其基因表达谱相结合 ，系统描绘了胚胎形态 、细胞类群 、空间位置和转录组特征 ，准确注释了不同的细胞亚型 ，深度解析了重要胚外组织羊膜细胞发育过程和卵黄囊造血谱系特化 ，重点发现了参与早期发育的不同信号通路采用不同的策略沿胚胎A-P轴建立差异激活的特点 。这项研究不仅可以确定人类原肠胚形成过程的关键细胞和分子特征 ，还可以指导今后干细胞衍生的人类胚胎模型的生成 。
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