前后軸（anterior-posterior axis，AP axis）建立是哺乳動物胚胎發(fā)育中的重要事件，該過程的異常將導(dǎo)致胚胎著床后發(fā)育失敗與流產(chǎn)。著床后，小鼠胚胎遠端內(nèi)臟內(nèi)胚層（Distal visceral endoderm, DVE）從遠端向胚胎單側(cè)遷移，而后定位于胚胎前側(cè)，形成前內(nèi)臟內(nèi)胚層（Anterior visceral endoderm，AVE）。AVE釋放的信號分子作用于臨近的上胚層（epiblast，EPI），促進其特化具有胚胎體前側(cè)的特征，而對側(cè)EPI由于遠離AVE信號而特化形成原條，至此胚胎前后軸正式建立。DVE和AVE作為前后軸形成過程中的關(guān)鍵細胞群體，經(jīng)典理論傾向于認為它們是細胞遷移過程中同一類細胞的先后兩種狀態(tài)，即DVE是AVE的前體細胞；近年來也有研究提出DVE和AVE是同時存在的兩類不同的細胞，且AVE可能來源于非DVE細胞。為此，DVE和AVE具體的起源和特化模式，以及對應(yīng)的分子調(diào)控規(guī)律有待進一步揭示。

清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院周帆課題組在《發(fā)育細胞》 （Developmental Cell）雜志在線發(fā)表了題為“跨物種解析哺乳動物前后軸發(fā)生” （Decoding anterior-posterior axis emergence among mouse, monkey, and human embryos）的研究論文。該研究結(jié)合高精度組學(xué)與擬時分析，空間分布驗證等體系，發(fā)現(xiàn)小鼠前后軸形成的關(guān)鍵細胞群體DVE和AVE具有各自獨立的起源與發(fā)育軌跡；跨物種對比顯示非人靈長類與人類胚胎前后軸形成過程中則僅含有AVE細胞；現(xiàn)有基于干細胞誘導(dǎo)/重構(gòu)的類胚胎模型中不含有前后軸相關(guān)細胞群體。

為解析胚胎前后軸形成過程中兩個關(guān)鍵細胞群體的起源與發(fā)育模式，作者結(jié)合單細胞組學(xué)分析與擬時預(yù)測，發(fā)現(xiàn)小鼠胚胎前后軸形成過程中DVE與AVE具有獨立的著床前起源，并且在著床后沿著各自的發(fā)育軌跡逐漸成熟和特化。結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄組和新標志基因挖掘，作者發(fā)現(xiàn)兩群細胞從著床前的囊胚階段開始，共經(jīng)歷了4個代表性階段：pro-DVE -> pre-DVE -> early-DVE -> late-DVE；pro-AVE -> pre-AVE -> early-AVE -> late-AVE，各個階段細胞群體具有獨特的基因表達模式。為了鑒定DVE與AVE在發(fā)育過程中的空間分布特點，作者結(jié)合新鑒定的標志分子、全胚胎免疫熒光成像和已發(fā)表的空間轉(zhuǎn)錄組挖掘，發(fā)現(xiàn)多個階段的DVE或AVE群體能被原位識別與標記，且具有不同的定位與分布規(guī)律。進一步，不同物種間細胞群體的基因表達譜對比分析顯示，與小鼠不同，非人靈長類和人類胚胎中僅存在AVE相關(guān)群體，這暗示不同物種的前后軸相關(guān)群體與特化模式可能存在較大差異。

近年來，基于干細胞多能性與自組裝特性構(gòu)建的類胚胎體系為人類胚胎研究帶來了新思路。另一方面，類胚胎在體外培養(yǎng)中呈現(xiàn)一定程度的著床后發(fā)育瓶頸，而前后軸形成是圍著床期胚胎正常發(fā)育的前提。為查看類胚胎中是否存在前后軸特化潛能的細胞群體，作者通過進一步的對比分析發(fā)現(xiàn)，與人類自然囊胚不同，當前基于干細胞構(gòu)建的人類類囊胚 (blastoid) 并不含有DVE或AVE前體細胞。該結(jié)果暗示在誘導(dǎo)類胚胎的過程和體系中，關(guān)注和加入具有前后軸潛能的關(guān)鍵前體細胞，可能是優(yōu)化類胚胎體系和提升著床后發(fā)育潛能的潛在策略。

結(jié)合時空轉(zhuǎn)錄組學(xué)與原位空間分布驗證，多角度解析哺乳動物前后軸發(fā)生

綜上所述，這項研究在基因表達維度上定義了胚胎前后軸發(fā)生過程中關(guān)鍵群體DVE和AVE的發(fā)育全過程：這兩群細胞很可能起源于著床前的囊胚階段，隨后沿著各自獨立的發(fā)育路徑特化，且分別經(jīng)歷了多個代表性階段。相比小鼠，靈長類胚胎則只含有AVE，現(xiàn)有小鼠和人類胚胎模型缺失DVE或（和）AVE相關(guān)譜系。這項研究揭示了哺乳動物胚胎前后軸形成過程中關(guān)鍵譜系的起源與特化規(guī)律，為深入理解圍著床胚胎發(fā)育與分子調(diào)控模式提供了線索與依據(jù)。

清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院周帆助理教授為本文通訊作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院周帆課題組科研助理朱慶元、2020級博士生葛吉濤和2021級博士生劉瑩為并列第一作者，參與該工作的還有博士后徐嘉雯和2020級博士生鄢勝鎰。清華大學(xué)實驗動物中心、膜生物學(xué)國家重點實驗室平臺、清華大學(xué)尼康影像中心為本研究提供了設(shè)備或技術(shù)支持。