王晓群研究团队揭示人类原肠胚和早期神经系统的时空发育特征和调控机制

2023年05月16日

在人类胚胎发育过程中，原肠胚阶段的三胚层分化以及早期神经系统的启动是至关重要的时期。三胚层的形成标志着各种器官发生的开始。随后，经过复杂的信号通路调控，神经管细胞先后经历初级神经形成和神经发生过程，最终分化成复杂的神经系统。王晓群课题组早期研究系统性的揭示了人大脑皮层、海马、下丘脑等不同脑区的神经干细胞多样性和神经发生的调控机制，但是对于这些神经干细胞的更早的起源、空间分布特征和分子调控机制的认识还十分有限。因此，深入探索人类三胚层的形成以及早期神经系统的发育机制对神经科学的发展至关重要，这将为未来的研究提供重要基础。

2023年5月15日，昌平实验室、北京师范大学王晓群课题组、吴倩课题组，首都医科大学附属北京天坛医院王拥军课题组，与伦敦国王学院Oscar Marin课题组合作，在Cell Stem Cell杂志上发表了题为“The single-cell and spatial transcriptional landscape of human gastrulation and early brain development”的文章。研究团队系统深入的探究了原肠胚和早期神经系统发育阶段细胞类型的多样性，空间分布特征以及不同谱系发育轨迹的分子调控机制（图1）。这项研究为我们深入了解器官发生以及神经系统发育和功能等重要问题提供了新的思路和启示。

 图1: 人类原肠胚和早期神经系统的时空发育机制

为了全面解析人类早期胚胎发生过程中的细胞类型多样性，研究团队使用了空间转录组学技术，将单细胞测序和空间信息相结合，系统性绘制了目前国际上最全面的人类早期胚胎发育的单细胞转录组全景图，涵盖从3周到12周的发育时间。

研究人员首先针对人类早期胚胎发育过程中CS10（受精后20天）三胚层分化时期的细胞类型和基因表达特征进行了深入研究。此外，通过空间转录组数据，他们还揭示了神经管细胞亚型（前中后脑以及脊髓）的空间分布、细胞通讯以及神经管前后轴分布的相关信号通路调控。接着，他们构建了从CS7（受精后17天）到CS10（20天）原肠胚不同阶段之间细胞类型的发育轨迹，并发现CS10时期的神经外胚层细胞来源于CS7时期的上胚层细胞（Epiblast），而CS7时期的初始中胚层细胞会进一步分化成CS10时期的中间中胚层、轴旁中胚层、前体节中胚层以及侧板中胚层。同时，他们发现CS7时期的高级中胚层是CS10时期的间充质细胞和心肌细胞的祖细胞。最后，研究者总结了不同时期细胞类型之间转化涉及的主要调控转录因子和重要基因，这对于深入了解人类早期胚胎发育机制具有重要意义，有助于进一步深入探索胚胎发育机制。

研究人员重点探索了放射状胶质细胞（Radial glia, RG）类型的多样性、空间分布以及多样性产生的机制，这对于人类早期大脑区域化的发育至关重要。在早期神经系统发育过程中，研究者发现了24种放射状胶质细胞、5种中间过渡态细胞以及17种成熟神经元细胞亚型。通过与空间转录数据的整合分析，定位了这些细胞亚型沿着神经管分布的位置。同时，研究者揭示了在不同大脑区域放射状胶质细胞发育轨迹和维持细胞命运决定机制的重要调控因子。这些结果表明在大脑发育早期，不同脑区的细胞命运决定机制受到不同的分子和细胞调控模式的影响。此外，王晓群课题组前期工作揭示oRG（Outer radial glia）细胞是一种重要的神经前体细胞类型，它们能够产生多种神经元和神经胶质细胞，是大脑皮层演化发展中的重要驱动力之一。在本研究中，他们还首次证实了oRG细胞的产生时间在人脑中是在PCW9。同时，研究者还发现WNT、MAPK、mTOR等信号通路对于oRG细胞的产生起着非常重要的作用。这些结果对于深入了解神经前体细胞命运的决定机制以及人类大脑发育演化具有重要意义。

图3:人类早期神经系统的细胞亚型、分子特征、空间分布以及分化机制。

最后，通过跨物种比较分析，研究者发现在与啮齿类动物相比，人类早期的后脑存在一群特有的的菱形唇细胞，这群细胞在后期的胚胎发育过程中会扩张形成特有的小脑脑室下区域 (Subventricular zone, SVZ)，这些细胞的发育异常往往会导致严重的小脑发育不全和Dandy-Walker畸形。然而，这些细胞的功能特异性需要更进一步的实验验证，这类人类特异的细胞可能对人类小脑的演化和发育有着重要的贡献。

综上所述，本研究系统性地探究了人类原肠胚和早期神经系统发育阶段的细胞类型多样性、基因表达特征、空间分布模式以及细胞谱系发生过程的分子调控机制。这些发现为深入了解人类早期发育过程的调控机理以及发育异常引起的疾病机理奠定了重要基础。此外，本研究的数据也为人体胚胎模型和不同组织的体外诱导提供了必要的参考数据。这些发现不仅推动了人类胚胎学研究的发展，也对未来人类发育和疾病的研究具有重要的指导意义。

北京师范大学王晓群教授和吴倩教授，首都医科大学附属北京天坛医院王拥军教授和伦敦国王学院Oscar Marin教授为该论文的共同通讯作者。昌平实验室副研究员曾博，博士后刘泽源，中科院生物物理所博士后卢玉峰，北京师范大学副研究员钟穗娟，伦敦国王学院博士后覃深悦为该论文的共同第一作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.04.016