目前，人們對人類胚胎早期發育的了解仍十分有限，特別是從原腸胚形成到早期器官發生，在此期間主要胚胎細胞類型是動態的。由於與人類密切的進化關係，非人類靈長類動物經常被用作了解人類發育的替代品。
近期已有相關研究發表，來自6個流產人類胚胎和5個CS 12-16和15個CS 3-7食蟹猴胚胎的單細胞RNA測序(scRNA-seq)數據為研究靈長類動物早期發育提供了寶貴的資源。雖然取得了這些進展，但人類和非人類靈長類動物(NHP)胚胎的CS 8-11單細胞轉錄組仍然無法獲得，這嚴重阻礙了對靈長類動物幾種最常見先天性畸形病因的研究。
近日，來自中國科學院動物研究所的研究團隊收集了6個CS 8-11期食蟹猴胚胎，對其56,636個單細胞進行了轉錄組學分析。研究團隊對CS 8-CS 11食蟹猴胚胎的綜合單細胞轉錄組圖譜研究，不僅彌補了靈長類胚胎發生的知識差距，並擴大了胚胎數據集的收集，有助於比較發育生物學和類器官模型的基準測試。該研究結果發表在Nature上，文章題為“Primate gastrulation and early organogenesis at single-cell resolution”。
研究團隊收集了6個食蟹猴胚胎，分別為CS8、CS9和CS11分期(圖1)。所有胚胎在形態上都表現正常，具有預期的解剖特征。研究團隊將樣本分離成單細胞，使用10X Genomics Chromium平台對67,418個細胞進行測序。在過濾掉雙聯體和低質量細胞後，共保留了56,636個細胞用於後續分析，每個細胞檢測到的基因中位數為3,017。基於已知譜係標記的表達，並與相應發育階段的小鼠胚胎數據集進行比較，確定了38個主要的細胞簇。從CS11胚胎中鑒定出的外胚層細胞(EPI細胞)和多能幹細胞(PS細胞，簇號1和2)的代表性非常低，表明在CS11發育階段原腸胚發育接近完成。
圖1.食蟹猴胚胎CS8-11位點的單細胞轉錄組圖譜構建。
為了研究食蟹猴原腸形成和早期器官發育過程中的分子和細胞動力學，研究團隊分析了RNA速度(RNA velocity)，利用剪接動力學來預測分化軌跡。首先關注PS形成相關的簇，包括PS，前原始條紋(APS)、限定性內胚層(DE)、新生中胚層(Nas)簇。結果顯示，與小鼠相似，RNA速度預測了食蟹猴PS/APS向DE、Nas分化的軌跡(圖2)。單細胞調控網絡推斷和聚類(SCENIC)和免疫熒光(IF)分析顯示，PS、APS和Nas在聚類中富集了幾種轉錄因子(TF)。
圖2.食蟹猴胚胎中PS細胞及其衍生物的發育軌跡。
為深入了解靈長類動物的神經管發育，研究團隊重新分析了來自兩個食蟹猴CS11胚胎的前腦/中腦/後腦(FB/MB/HB，聚類號為0)和SC(集群號)細胞。發現中腦、後腦邊界(midbrain-hindbrain boundary, MHB)來源於MB，以神經管形態收縮為特征，也可以通過PAX8、FGF8和PAX5的上調來識別。同時，研究團隊重點研究了WNT通路和HOX家族基因。與FB相比，MB細胞中許多WNT通路相關基因上調，意味著WNT活性增加。許多HOX基因被發現富集在來自主幹區域的神經細胞中，表明它們在神經管的A-P模式中起作用。
圖3.食蟹猴胚胎神經細胞的發育。
雖然小鼠和食蟹猴是廣泛用於研究人類發育的動物模型，但仍缺乏對小鼠、食蟹猴和人類器官發生早期步驟的單細胞轉錄組比較。為此，研究團隊將CS8-11食蟹猴胚胎scRNA-seq數據集與來自相應發育階段(Theiler stage，TS)小鼠胚胎的單細胞轉錄組整合在一起。SCMAP分析表明，來自CS8-9和CS11胚胎的細胞大多與TS9-12小鼠胚胎的類似細胞類型相當。UMAP顯示兩個物種的主要細胞類型非常匹配(圖4)。基於這一整合數據集，研究團隊進行了跨物種比較，並確定了EPI、PS、APS、原始生殖細胞(PGCs)、外胚層(NE、FB/MB/HB、SE、SC和NC)、中胚層(NODE、Nas)的許多保守和分歧的轉錄組特征。
圖4:早期胚胎器官發生的跨物種轉錄組比較。
研究團隊通過對56,636個細胞的綜合scRNA-seq分析，確定了38個主要的細胞簇，並揭示了靈長類動物在原腸胚形成和早期器官發生過程中存在的所有三個主要胚層的發育景觀。通過比較CS8-11食蟹猴胚胎的單細胞轉錄組與處於相似發育階段的小鼠胚胎，深入了解了物種間保守和不同的轉錄組特征。該研究揭示了主要的泌乳周細胞類型的轉錄組特征，有助於闡明靈長類動物的形態發生事件。
參考資料：
Zhai, J., Guo, J., Wan, H.et al.Primate gastrulation and early organogenesis at single-cell resolution.Nature612, 732–738 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05526-y
