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在生命起源的奧秘中，胚胎發(fā)育始終是深受關(guān)注的謎題之一。東南大學(xué)教授林承棋、羅卓娟、謝芃領(lǐng)銜多家科研機(jī)構(gòu)在全球首次構(gòu)建單細(xì)胞精度三維數(shù)字胚胎，并在其中發(fā)現(xiàn)中內(nèi)胚層器官的原基決定區(qū)，“破譯”心臟發(fā)育密碼。這一發(fā)現(xiàn)不僅填補(bǔ)了哺乳動物心臟早期發(fā)育機(jī)制的理論空白，也為先天性心臟病防治及再生醫(yī)學(xué)發(fā)展提供關(guān)鍵理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果18日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上。

“早期胚胎的細(xì)胞團(tuán)里，藏著心臟、肺、肝臟等器官形成的關(guān)鍵細(xì)胞?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡吡殖衅褰榻B，哺乳類動物的胚胎經(jīng)過原腸運(yùn)動后，形成外、中、內(nèi)3個胚層。經(jīng)過生物體內(nèi)復(fù)雜的信號通路調(diào)控，三胚層進(jìn)一步形成各種器官原基，即器官的雛形。

長期以來，胚胎中胚層和內(nèi)胚層器官原基的精確定位及形成機(jī)制一直是困擾學(xué)界百年的“世紀(jì)難題”。

此次研究中，科研團(tuán)隊在全球首次構(gòu)建了從小鼠原腸運(yùn)動后期到心臟等器官原基形成期的單細(xì)胞精度三維數(shù)字胚胎，試圖了解器官特別是心臟的發(fā)育過程。

“我們建構(gòu)了6個單細(xì)胞數(shù)字胚胎，每個胚胎細(xì)分為60個切片，累計解析數(shù)十萬個細(xì)胞的基因表達(dá)信息?！闭撐牡墓餐谝蛔髡咧x芃介紹，為捕捉器官形成的動態(tài)過程，團(tuán)隊在器官原基形成關(guān)鍵時期，對小鼠胚胎進(jìn)行單細(xì)胞空間組學(xué)分析，如同給每個細(xì)胞裝上“GPS定位”，記錄其基因表達(dá)特征與空間位置。

研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠胚胎發(fā)育到7.75天時，胚內(nèi)、胚外層交界處出現(xiàn)一個獨特的信號“洼地”——器官原基決定區(qū)（PDZ）。

“PDZ處于胚內(nèi)層高濃度信號抑制分子與胚外層激活性配體分子的交界處，這里的信號活性偏低，但可以表達(dá)多種受體信號基因，容易接收多胚層信號的調(diào)控輸入，驅(qū)動心臟等器官原基協(xié)同發(fā)育的微環(huán)境。”林承棋說，此次研究首次揭示了PDZ可以通過整合無翅型相關(guān)整合位點、成纖維細(xì)胞生長因子、骨形態(tài)發(fā)生蛋白等通路，將微環(huán)境信號轉(zhuǎn)化為基因選擇性表達(dá)指令，驅(qū)動器官原基形成。

當(dāng)前，我國出生缺陷發(fā)病率約5.6%，其中先天性心臟病是最為常見的出生缺陷類型?！癙DZ的發(fā)現(xiàn)，為追溯心臟發(fā)育異常的起源提供了‘時空坐標(biāo)’——在胚胎器官發(fā)育的關(guān)鍵窗口期，遺傳因素或環(huán)境因素對PDZ的干擾，可能導(dǎo)致器官原基形成異常?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡吡_卓娟表示，通過數(shù)字胚胎技術(shù)，科學(xué)家能精準(zhǔn)定位決定中內(nèi)胚層器官命運(yùn)的細(xì)胞群，進(jìn)而研究基因突變或環(huán)境因素如何影響這一過程。