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来源：BioArt
类原肠胚（Gastruloids）是由300个左右胚胎干细胞组成的三维聚集体，能够表现出胚胎植入后哺乳动物包括胚层特异性以及轴向组织发育过程的关键性特征【1,2】。迄今为止，在类原肠胚中只有极少部分基因的表达模式被研究过，全基因组表达模式的还不甚清楚。为了揭开模拟胚胎发育的类原肠胚全基因组表达模式，2020年2月20日，荷兰皇家艺术与科学学院和乌得勒支大学医学中心Alexander van Oudenaarden与Susanne C. van den Brink研究组在Nature发表题为Single-cell and spatial transcriptomics reveal somitogenesis in gastruloids的文章，对小鼠类原肠胚以及小鼠胚胎之间的单细胞RNA测序结果以及空间转录组数据进行比较，发现两者之间极为相似，并且类原肠胚能够极好地模拟胚胎的体节发育，可以为体外对哺乳动物胚胎发育包括体节发育过程在内的科学研究提供重要的工具。
先前有研究对类原肠胚的转录组进行了分析，使用的是代表小鼠胚胎发育期8.5天的120h体外培养的类原肠胚全组织【2】。为了进一步扩展在单细胞水平方面对类原肠胚的了解，作者们对来自于120h时间点的100个类原肠胚中25,202个细胞进行了单细胞分析和聚类（图1）。通过与胚胎期8.5天的小鼠胚胎单细胞RNA-seq的数据相比较，对13个细胞群类进行了注解。作者们分析后发现小鼠类原肠胚与胚胎的基因表达与包含的细胞类别非常相似，这与前人的结果也比较一致【2】。这些结果说明类原肠胚可以作为对胚胎发育过程进行研究的良好体外模型。
图1 对100个类原肠胚进行单细胞聚类分析
先前有研究对类原肠胚的转录组进行了分析，使用的是代表小鼠胚胎发育期8.5天的120h体外培养的类原肠胚全组织【2】。为了进一步扩展在单细胞水平方面对类原肠胚的了解，作者们对来自于120h时间点的100个类原肠胚中25,202个细胞进行了单细胞分析和聚类（图1）。通过与胚胎期8.5天的小鼠胚胎单细胞RNA-seq的数据相比较，对13个细胞群类进行了注解。作者们分析后发现小鼠类原肠胚与胚胎的基因表达与包含的细胞类别非常相似，这与前人的结果也比较一致【2】。这些结果说明类原肠胚可以作为对胚胎发育过程进行研究的良好体外模型。
图1 对100个类原肠胚进行单细胞聚类分析通过对细胞类群1-8进行分析后，作者们发现这些细胞是按照神经细胞以及中胚层细胞分化的轨迹进行排列的（图1）。进一步的分析后作者们发现，从类群7到类群8是神经中胚层祖细胞到神经元的分化轨迹，并且开始表达尾芽基因（Tail-bud genes），从类群6到类群2是中胚层分化，而类群1表达的是心脏相关的基因标记物。
在胚胎发育过程中，神经分化和中胚层分化的具有很强的空间分布特点：神经中胚层祖细胞位于尾芽部位（较后侧部位），而分化的组织位于更前侧的位置【3】。因为，作者们想要知道在类原肠胚中是否也遵循这样的空间分布特点，在类原肠胚中进行了RNA断层扫描（RNA tomography，tomo-seq）【4】，tomo-seq是一种空间转录组分析技术。在tomo-seq实验中，类原肠胚会被沿着前侧到后侧轴向进行冷冻切片，随后按顺序对这些组织的mRNA进行高通量分析。
在胚胎发育过程中，神经分化和中胚层分化的具有很强的空间分布特点：神经中胚层祖细胞位于尾芽部位（较后侧部位），而分化的组织位于更前侧的位置【3】。因为，作者们想要知道在类原肠胚中是否也遵循这样的空间分布特点，在类原肠胚中进行了RNA断层扫描（RNA tomography，tomo-seq）【4】，tomo-seq是一种空间转录组分析技术。在tomo-seq实验中，类原肠胚会被沿着前侧到后侧轴向进行冷冻切片，随后按顺序对这些组织的mRNA进行高通量分析。
通过对空间转录组的结果进行分析，作者们发现神经中胚层祖细胞（类群7）的确是位于类原肠胚的较后侧位置，而分化的神经细胞则位于较前侧的位置。对其他的细胞类群进行分析后，作者们发现，类原肠胚中各种细胞的位置与在胚胎体内分布的空间位置是比较一致的。进一步地，作者们想要确认小鼠胚胎与类原肠胚中前侧-后侧基因表达模式的异同，作者们对胚胎期8.5天的小鼠胚胎进行了tomo-seq，结果表明包括调节体节形成在内的基因表达在小鼠胚胎和类原肠胚中都是非常相似的。
在小鼠胚胎中，中胚层组织的建立依赖于基因动态调控网络，这与体节形成过程紧密相连【5】。在体节发育过程中，视黄酸以及相反的FGF/WNT信号梯度决定了分化前侧的位置（图2）。体细胞发生过程经历WNT、Notch和FGF信号振荡，在小鼠胚胎中信号波动大约每两小时从尾芽向分化前沿传递一次【5】。因此，作者们希望通过实验检测在类原肠胚中是否存在相似的体节发育时钟。通过对类原肠胚中Notch报告基因活体成像检测以及Notch信号抑制剂施用等实验，作者们发现类原肠胚中报告基因的表达与在小鼠胚胎中类似，同样也依赖于Notch信号通路的活性，体节发育时钟的动态活性变化与体内发育过程非常相似。
图2 小鼠胚胎体节发育示意图
虽然作者们通过实验发现在类原肠胚中体节发生的关键调控因子在正确的空间位置表达，而且动态变化过程也与体内非常相似。但是根据前人研究的实验方案，体外培养的类原肠胚中并不会真正产生体节（Somites）【1,2】。通过对培养方式的调整和检验，作者们发现在低浓度的基质胶（Matrigel）的培养条件下类原肠胚会产生体节类似的结构，具有正确的分布模式和发育方向。
通过对单细胞高通量数据以及空间转录组结果的分析，Alexander van Oudenaarden研究组发现，体外培养的类原肠胚与胚胎的基因表达是非常相似的，因此类原肠胚可以作为对胚胎发育过程进行研究的良好实验模型。而且，由于类原肠胚可以大量培养，因此也可以作为进行药物筛选等方面的实验工具。另外，作者们对于之前的体外培养方案进行了优化，使得体外培养的类原肠胚可以具有正确的体节发育过程，因此，也同样为体外研究体节发育提供了重要的实验依托。
2 Beccari,L. et al. Multi-axialself-organization properties of mouse embryonic stem cells into gastruloids. Nature 562, 272-276, doi:10.1038/s41586-018-0578-0 (2018).3 Koch,F. et al. Antagonistic Activities ofSox2 and Brachyury Control the Fate Choice of Neuro-Mesodermal Progenitors. Dev Cell 42, 514-526 e517, doi:10.1016/j.devcel.2017.07.021 (2017).4 Junker,J. P. et al. Genome-wide RNATomography in the zebrafish embryo. Cell159, 662-675,doi:10.1016/j.cell.2014.09.038 (2014).5 Chal,J. & Pourquie, O. Making muscle: skeletal myogenesis in vivo and in vitro. Development 144, 2104-2122, doi:10.1242/dev.151035 (2017).
图2 小鼠胚胎体节发育示意图虽然作者们通过实验发现在类原肠胚中体节发生的关键调控因子在正确的空间位置表达，而且动态变化过程也与体内非常相似。但是根据前人研究的实验方案，体外培养的类原肠胚中并不会真正产生体节（Somites）【1,2】。通过对培养方式的调整和检验，作者们发现在低浓度的基质胶（Matrigel）的培养条件下类原肠胚会产生体节类似的结构，具有正确的分布模式和发育方向。
通过对单细胞高通量数据以及空间转录组结果的分析，Alexander van Oudenaarden研究组发现，体外培养的类原肠胚与胚胎的基因表达是非常相似的，因此类原肠胚可以作为对胚胎发育过程进行研究的良好实验模型。而且，由于类原肠胚可以大量培养，因此也可以作为进行药物筛选等方面的实验工具。另外，作者们对于之前的体外培养方案进行了优化，使得体外培养的类原肠胚可以具有正确的体节发育过程，因此，也同样为体外研究体节发育提供了重要的实验依托。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2024-3
参考文献
1 van den Brink, S. C. et al. Symmetry breaking, germ layerspecification and axial organisation in aggregates of mouse embryonic stemcells. Development 141, 4231-4242, doi:10.1242/dev.113001(2014).2 Beccari,L. et al. Multi-axialself-organization properties of mouse embryonic stem cells into gastruloids. Nature 562, 272-276, doi:10.1038/s41586-018-0578-0 (2018).3 Koch,F. et al. Antagonistic Activities ofSox2 and Brachyury Control the Fate Choice of Neuro-Mesodermal Progenitors. Dev Cell 42, 514-526 e517, doi:10.1016/j.devcel.2017.07.021 (2017).4 Junker,J. P. et al. Genome-wide RNATomography in the zebrafish embryo. Cell159, 662-675,doi:10.1016/j.cell.2014.09.038 (2014).5 Chal,J. & Pourquie, O. Making muscle: skeletal myogenesis in vivo and in vitro. Development 144, 2104-2122, doi:10.1242/dev.151035 (2017).
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原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3MzQyNjY1MQ==&mid=2652482548&idx=3&sn=62a92c8a1169e72fc3f31f63484c2ae8&chksm=84e23840b395b156c291489c76cee438201ffb8716015db68f90a384d22cd086ebf8780956b3&scene=27#wechat_redirect
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