中大新聞網訊（通訊員張宏波）發育過程中，我們四肢的形成并非一蹴而就，而是經歷過復雜的細胞演變過程。在胚胎發育第四周末，四肢僅以簡單的幾乎均一細胞團形狀凸起出現在身體的兩側，但到了第八周，這一細胞團則已經完全分化，形成具有復雜解剖結構的四肢，并形成完整的手指和腳趾，這依賴于細胞之間非常迅速而精確的協調。對這一過程的任何微小擾動都可能產生顯著的下游效應。也因此，四肢發育異常是全球報告最多的出生綜合癥之一，全球大約每500個新生兒即可發現一例。
因為肢體發育涉及細胞命運決定和空間位置形成兩個經典發育問題，長期以來其被作為發育生物學的重要模型進行研究。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，如近遠軸的幾個關鍵決定基因、前后軸的基本細胞定位和信號通路等已經得到初步闡釋。然而，囿于技術和倫理限制，人類肢體形成的基本過程，如詳細的細胞演變路徑，決定細胞命運的關鍵基因與疾病的聯系等尚未有研究。更重要的是，模式動物中發現的肢體形成機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學實踐亦長期存疑。近年來發展的單細胞技術使得在人類中直接研究肢體發育過程中的細胞命運決定和空間位置形成成為可能。
2023年12月6日，中山大學中山醫學院張宏波教授課題組等在Nature雜志在線發表了題為“A human embryonic limb cell atlas resolved in space and time”的研究論文，報道了基于單細胞轉錄組學和空間轉錄組學技術建立的首個人類肢體發育單細胞圖譜，解析了從肢體發生早期到形態完全形成的細胞演變路徑和細胞空間位置決定過程。
在這項研究中，中山大學與英國Sanger研究所的研究者和合作者一起，首先運用單細胞轉錄組學技術，利用肢體發育過程中細胞演變過程的連續性，從多個時期不同個體取樣，繪制了包含所有細胞類型的人肢體發育細胞連續演變圖景。之后研究者結合空間轉錄組學技術精確定位發育中肢體中細胞的確切位置，以及隨著發育時間變化細胞位置的變化規律。 利用該圖譜，研究者能夠追蹤在特定時間和特定區域產生的細胞類型、鑒定到新的細胞類型，并可以對相應細胞類型詳細刻畫其激活的特定基因表達程序。這些時序性基因表達模式通常對塑造正在生長的四肢具有重要調節作用。
圖1 單細胞圖譜的構建及細胞類型的時空分布
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，并識別出關鍵調控基因。對組織進行染色進一步清楚地揭示了構成手指和腳趾的原始細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，并確定了相應細胞類型的特異表達基因。當這些基因的表達不遵循既定模式時，將導致特定的發育表型，如短指（手指或腳趾短）和多指（多余的手指或腳趾）發育異常等。
圖2 趾和趾間的形成及調節機制
研究者還重點分析了構成肢體的骨骼肌，以及由肢體間充質細胞發育形成的組織類型的細胞發育模式。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基因，這些認識對后續進一步確定骨骼肌形成過程中的細胞命運歧化關鍵調節基因和機制具有重要的提示作用。有趣的是，研究發現調控上下肢差異決定的PITX1基因在調控不同肢體的骨骼肌形成卻可能具有統一的機制。研究團隊還同步獲得了小鼠四肢的發育的單細胞轉錄組數據，發現四肢發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胞分化調節基因
總之，該研究在單細胞水平和2D空間結構層面解析了人類肢體，這一復雜解剖結構如何形成的過程。為進一步跨物種深入研究肢體發育的詳細調節機制、肢體發育異常的細胞生理機制，乃至更廣泛的發育和再生過程中細胞命運調節機制和空間位置建成機制提供了重要參考。
中山大學張宏波教授、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, 現工作單位廣州婦女兒童醫療中心）為該論文共同第一作者。研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、英國Wellcome Trust等基金支持。
