中大新聞網(wǎng)訊（通訊員張宏波）發(fā)育過程中，我們四肢的形成并非一蹴而就，而是經(jīng)歷過復(fù)雜的細(xì)胞演變過程。在胚胎發(fā)育第四周末，四肢僅以簡單的幾乎均一細(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)。對這一過程的任何微小擾動都可能產(chǎn)生顯著的下游效應(yīng)。也因此，四肢發(fā)育異常是全球報告最多的出生綜合癥之一，全球大約每500個新生兒即可發(fā)現(xiàn)一例。
因為肢體發(fā)育涉及細(xì)胞命運決定和空間位置形成兩個經(jīng)典發(fā)育問題，長期以來其被作為發(fā)育生物學(xué)的重要模型進(jìn)行研究。在對小鼠、雞等模式動物研究中，一系列肢體形成的基本問題，如近遠(yuǎn)軸的幾個關(guān)鍵決定基因、前后軸的基本細(xì)胞定位和信號通路等已經(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程，如詳細(xì)的細(xì)胞演變路徑，決定細(xì)胞命運的關(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)實踐亦長期存疑。近年來發(fā)展的單細(xì)胞技術(shù)使得在人類中直接研究肢體發(fā)育過程中的細(xì)胞命運決定和空間位置形成成為可能。
2023年12月6日，中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院張宏波教授課題組等在Nature雜志在線發(fā)表了題為“A human embryonic limb cell atlas resolved in space and time”的研究論文，報道了基于單細(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)胞空間位置決定過程。
在這項研究中，中山大學(xué)與英國Sanger研究所的研究者和合作者一起，首先運用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，利用肢體發(fā)育過程中細(xì)胞演變過程的連續(xù)性，從多個時期不同個體取樣，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。之后研究者結(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)育時間變化細(xì)胞位置的變化規(guī)律。 利用該圖譜，研究者能夠追蹤在特定時間和特定區(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。這些時序性基因表達(dá)模式通常對塑造正在生長的四肢具有重要調(diào)節(jié)作用。
圖1 單細(xì)胞圖譜的構(gòu)建及細(xì)胞類型的時空分布
作為研究的一部分，研究人員證明這些基因模式對手和腳趾的形成有影響，并識別出關(guān)鍵調(diào)控基因。對組織進(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，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。
圖2 趾和趾間的形成及調(diào)節(jié)機(jī)制
研究者還重點分析了構(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)識對后續(xù)進(jìn)一步確定骨骼肌形成過程中的細(xì)胞命運歧化關(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，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。研究團(tuán)隊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。
圖3 人類兩輪骨骼肌形成的路徑和細(xì)胞分化調(diào)節(jié)基因
總之，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)如何形成的過程。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)育和再生過程中細(xì)胞命運調(diào)節(jié)機(jī)制和空間位置建成機(jī)制提供了重要參考。
中山大學(xué)張宏波教授、英國Sanger 研究所Sarah Teichmann教授為該論文共同通訊作者。張寶（張宏波課題組博士后），Peng He（Sarah Teichmann課題組博士后）、John Lawrence（Sarah Teichmann課題組博士生）、王帥玉（張宏波課題組博士后, 現(xiàn)工作單位廣州婦女兒童醫(yī)療中心）為該論文共同第一作者。研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、英國Wellcome Trust等基金支持。
