通过及时抑制TGFβ信号诱导脊索形成的研究
脊椎动物躯干发育的体外模型研究
学术背景
脊椎动物的躯干发育是一个高度协调的过程，涉及多个细胞类型的生成和组织。这一过程的核心是位于胚胎后部的祖细胞群，它们通过复杂的信号网络调控，逐步分化为神经管、体节和脊索等组织。脊索（notochord）是脊索动物的标志性结构，不仅在胚胎发育中提供机械支持，还通过分泌信号分子调控周围组织的发育。然而，现有的体外模型，如多能干细胞（pluripotent stem cells, PSCs）分化模型，虽然能够模拟部分躯干发育过程，但往往缺乏脊索及其依赖的组织，如神经管的底板（floor plate）。这限制了这些模型在研究脊椎动物躯干发育机制中的应用。
为了填补这一空白，来自The Francis Crick Institute的研究团队通过单细胞转录组分析，绘制了鸡胚胎躯干发育的分子图谱，并基于此开发了一种新的体外模型，成功诱导了人类多能干细胞分化为具有脊索的三维躯干结构。这一研究不仅揭示了脊椎动物脊索形成的机制，还为未来在生理相关环境中研究组织模式化提供了新的工具。
研究团队与发表信息
该研究由Tiago Rito、Ashley R. G. Libby、Madeleine Demuth、Marie-Charlotte Domart、Jake Cornwall-Scoones和James Briscoe共同完成，研究团队来自The Francis Crick Institute，伦敦，英国。研究论文于2024年11月1日在线发表在《Nature》期刊上，题为“Timely TGFβ signalling inhibition induces notochord”。
研究流程与实验设计
1. 单细胞转录组分析
研究团队首先对鸡胚胎的尾部区域进行了单细胞转录组分析，涵盖了4、7、10和13体节阶段的胚胎（Hamburger-Hamilton stages 8–11）。通过Louvain聚类和标记基因表达分析，研究人员定义了多个细胞类型，包括原始条带（primitive streak）、早期中胚层（mesoderm）、体节前中胚层（presomitic mesoderm）、侧板中胚层（lateral plate mesoderm）以及脊索细胞。脊索细胞表达特定的标记基因，如TBXT、NOTO、SHH和CHRD。
2. 体外模型的构建
基于鸡胚胎的转录组数据，研究团队开发了一种体外模型，使用人类胚胎干细胞（human embryonic stem cells, hESCs）模拟躯干发育。研究人员首先在单层培养中激活Wnt和FGF信号通路，并抑制BMP和Nodal信号，成功诱导了SOX2+TBXT+的神经中胚层祖细胞（neuromesodermal progenitors, NMPs）。随后，研究人员在微图案化的层粘连蛋白基底上培养hESCs，观察到细胞在几何限制下形成了有序的基因表达模式，中心区域为SOX2高表达的神经前体细胞，边缘区域为TBXT高表达的中胚层细胞。
3. 信号通路的调控
为了进一步解析信号通路在细胞命运决定中的作用，研究团队分析了YAP、ERK1/2和Wnt信号在神经球（neuruloids）发育中的动态变化。研究发现，YAP的失活促进了Wnt信号的激活和TBXT的表达，而持续的MAPK通路活性则维持了TBXT在边缘区域的表达。此外，研究还发现，BMP和Nodal信号的抑制时间对脊索细胞的形成至关重要。延迟抑制BMP和Nodal信号可以显著增加TBXT+FOXA2+的脊索样细胞比例。
4. 三维躯干类器官的生成
基于上述发现，研究团队将信号调控条件应用于三维培养，成功生成了具有脊索的躯干类器官（notoroids）。这些类器官在培养过程中逐渐伸长，内部形成了TBXT+的脊索样结构，外层则为SOX2+的神经上皮细胞。通过单细胞RNA测序，研究人员进一步验证了类器官中存在的细胞类型，包括脊索细胞、体节中胚层和神经前体细胞。
主要研究结果
单细胞转录组分析：研究团队成功绘制了鸡胚胎躯干发育的分子图谱，定义了多个祖细胞群及其空间分布，特别是脊索祖细胞的转录特征。
体外模型的构建：通过调控Wnt、FGF、BMP和Nodal信号，研究人员成功诱导了人类多能干细胞分化为具有脊索的三维躯干结构。
信号通路的调控：研究发现，YAP的失活和持续的MAPK通路活性是TBXT表达和脊索细胞形成的关键因素。此外，BMP和Nodal信号的抑制时间对脊索细胞的比例具有显著影响。
三维躯干类器官的生成：研究团队成功生成了具有脊索的躯干类器官，这些类器官在培养过程中表现出与体内发育相似的组织结构和基因表达模式。
结论与意义
该研究通过单细胞转录组分析和体外模型的构建，揭示了脊椎动物脊索形成的分子机制，并成功开发了一种新的体外模型，能够模拟人类躯干发育的多个关键过程。这一研究不仅为理解脊椎动物躯干发育提供了新的见解，还为未来在生理相关环境中研究组织模式化和疾病模型提供了重要的工具。
研究亮点
脊索形成的分子机制：研究首次揭示了YAP、Wnt和FGF信号在脊索形成中的协同作用，特别是YAP失活对TBXT表达的促进作用。
新型体外模型的开发：研究成功构建了具有脊索的三维躯干类器官，填补了现有体外模型在脊索及其依赖组织方面的空白。
信号调控的时间窗口：研究发现，BMP和Nodal信号的抑制时间对脊索细胞的形成具有关键影响，为未来优化体外分化条件提供了重要参考。
其他有价值的信息
研究团队还通过单细胞RNA测序和成像分析，详细描述了三维躯干类器官的细胞类型和组织结构，进一步验证了模型的生理相关性。此外，研究还发现，脊索样细胞能够通过分泌SHH信号分子调控周围神经组织的模式化，这与体内发育过程高度一致。
总之，该研究为脊椎动物躯干发育的研究提供了新的工具和见解，具有重要的科学和应用价值。