Timely TGFβ signalling inhibition induces notochord
引言
每一个脊椎动物的生命起源都离不开一条神秘的“脊索”（notochord）。这根微小却至关重要的结构不仅决定了身体轴线的形成，还在胚胎发育中担负着引导周围组织分化的重任。然而，研究人员长久以来一直面临一个难题：尽管在实验室中通过多能干细胞（pluripotent stem cells）模拟了人类胚胎的许多发育过程，却始终无法完全再现脊索的形成及其复杂的信号调控机制。这让我们对人类胚胎发育最核心的一环仍然一知半解。
2024 年 12 月 18 日，来自伦敦弗朗西斯·克里克研究所的研究团队在《Nature》发表了一项开创性研究 “Timely TGFβ signalling inhibition induces notochord”，为这一谜题带来了曙光。他们以鸡胚为模型，通过单细胞转录组分析，全面绘制了脊索及其相关组织的细胞谱系图。更为重要的是，他们成功揭示了多个关键信号通路之间的复杂互作，包括 WNT、FGF、BMP 和 NODAL 等信号的时序调控如何驱动胚胎中脊索细胞的命运决定。研究团队还进一步将这些发现应用于体外实验，创造了一个具有脊索和神经管等结构的三维人类干细胞模型，为人类胚胎发育研究开辟了新的方向。
这一研究的突破不仅有助于解开脊索形成的科学奥秘，还为组织工程和再生医学提供了重要的启示。例如，在未来，我们或许能够利用这些模型深入研究脊柱疾病的发病机制，甚至开发全新的治疗手段。可以说，这项研究从微观细胞世界出发，解读了脊索作为生命轴心的宏大意义，让我们对脊椎动物的发育规律有了更深刻的理解。
脊索：脊椎动物生命的起点
在脊椎动物的胚胎发育中，脊索（notochord）无疑是贯穿整个过程的核心角色。这条细长的中轴结构并非仅仅是“支撑体”，它更像是胚胎发育的“指挥官”。作为一种源自中胚层的特殊组织，脊索不仅赋予胚胎初步的机械稳定性，还通过释放信号分子引导周围组织的分化与空间模式化——从神经管到体节（somite），再到内胚层器官，每一个环节都少不了它的参与。
科学界对脊索的研究最早可以追溯到 19 世纪末，经典的实验如 Spemann 和 Mangold 的“原肠胚诱导”试验证明了脊索具有组织其他细胞命运的“诱导”能力。然而，这些早期研究更多聚焦于宏观的胚胎学现象，关于脊索形成的分子和细胞层面的细节却鲜有人知。直到近几十年，随着单细胞测序技术和体外干细胞培养模型的兴起，研究人员才逐渐揭开了脊索形成的信号密码。
该研究揭示，脊索的发育涉及多个信号通路的协同作用，如 WNT、BMP、NODAL 和 FGF。这些信号在时间和空间上的精确调控，决定了胚胎中不同组织的分化命运。研究人员通过鸡胚模型发现，SOX2 和 TBXT 基因的共表达标志着神经 - 中胚层祖细胞（NMPs）的存在，而这些祖细胞正是脊索和其他躯干组织的来源。在此基础上，他们利用多能干细胞（pluripotent stem cells）构建了一个三维的发育模型，成功再现了脊索的形成及其对周围组织的模式化作用。
脊索的神秘之处不仅在于其功能的多样性，还在于它在胚胎发育后几乎完全退化，留下的仅是椎间盘中的髓核。这种短暂而深刻的存在，让人们意识到，它或许是理解生命发育轴线以及再生医学领域突破的关键所在。
为什么脊索如此难以复制？
尽管目前已经能在实验室中重现胚胎发育的许多复杂过程，但“复制脊索”却始终是一个巨大的挑战。多能干细胞（pluripotent stem cells）提供了研究人类胚胎发育的重要工具，通过优化培养条件，研究人员已经成功生成类似于神经管、体节和内胚层的多种组织。然而，这些体外模型普遍缺乏一个关键要素——脊索及其相关组织。这种缺失不仅限制了模型的生理学相关性，也阻碍了对胚胎发育过程中信号调控网络的深入理解。
脊索的生成需要极为精确的信号调控网络。在体外实验中，研究人员发现 WNT、FGF、BMP 和 NODAL 等信号通路对组织分化的影响极其复杂。以往的体外模型通常通过单一或简单组合的信号激活来模拟发育条件，导致某些细胞类型的比例异常，例如内胚层细胞和外胚层细胞的过量生成，而脊索及其依赖的组织（如神经管腹板和体节）则缺失。这表明，脊索的发育可能需要一系列特定的时间和空间信号动态调控，而这些精细调控在现有模型中尚未实现。
该研究则进一步揭示了问题的核心。在单细胞转录组分析中，研究人员发现脊索的祖细胞具有独特的基因表达模式，如 TBXT、FOXA2 和 NOTO 基因的共表达，这些标志物的出现通常依赖于信号通路的精准时序。例如，NODAL 和 BMP 信号在初期需被抑制以防止非脊索细胞的过早分化，而在后期，适时的信号激活又对脊索的成熟至关重要。然而，在传统的体外模型中，信号调控的动态性往往难以精准再现，从而使得脊索细胞的生成和功能性进一步受到限制。
脊索不仅仅是一种组织，它是胚胎发育的“信号枢纽”，能够指导其他组织的模式化和分化。这种复杂性正是脊索难以复制的根本原因，但也让它成为胚胎发育研究中的“至高目标”。
从鸡胚到人类：破解脊索形成的信号密码
为了揭开脊索形成的奥秘，研究人员将目光投向了一种经典的模型——鸡胚。这种模型不仅便于观察，还能提供关于胚胎发育的宝贵线索。通过单细胞转录组测序技术，研究人员首次绘制出了脊索发育过程中细胞谱系的“动态地图”，揭示了脊索及其周围组织形成的分子密码。
研究团队选取了鸡胚尾部不同发育阶段的样本，从早期的 4 体节（4S）到 13 体节（13S），覆盖了关键的脊索分化时期。通过对单细胞转录组的深度分析，他们识别出多个分子标志物，并将这些细胞分为不同类型。例如，SOX2 和 TBXT 的共表达标志着神经 - 中胚层祖细胞（NMPs），这些细胞是脊索和神经管等结构的源头；而 FOXA2 和 NOTO 的共表达则明确标记了脊索前体细胞。
这一研究的亮点之一在于，不仅揭示了脊索前体细胞与周围组织之间的联系，还发现了脊索细胞形成的时间和空间特异性。例如，研究显示，NMPs 主要位于胚胎的尾结和中轴位置，而脊索前体细胞逐步集中于更靠近中线的区域。这一过程需要 FGF 和 WNT 信号的协同作用，同时必须抑制 BMP 和 NODAL 信号，以防止脊索细胞命运的紊乱。通过这种方式，研究人员明确了信号通路如何指导细胞命运的选择和组织分化的顺序。
为了验证这些发现是否适用于人类，研究团队进一步比较了鸡胚、小鼠和灵长类动物的脊索发育过程。结果表明，尽管物种之间存在一定差异，但关键的分子机制高度保守。这种跨物种的发现不仅为研究人类胚胎发育提供了重要的模型，也让我们更加接近理解脊索形成这一生命奇迹。
样本采集与处理
研究选择了发育阶段分别对应 4 体节（4S）、7 体节（7S）、10 体节（10S）和 13 体节（13S）的鸡胚（Hamburger–Hamilton 阶段 HH8–HH11），采集了第三对体节后方的组织进行单细胞转录组测序（scRNA-seq）。这些阶段涵盖了从胚胎中后段组织发育到明确脊索分化的关键时期。
细胞群体的二维嵌入
通过单细胞数据的二维降维（使用 UMAP 算法），绘制了躯干发育过程中所有阶段共 27,379 个细胞的分布图。图中不同的细胞群体根据其基因表达特征被区分开来，为进一步分析其类型和功能提供了基础。
中胚层及脊索相关标志基因的表达
图中显示了侧板中胚层（Lateral Plate Mesoderm, LPM）和旁轴中胚层（Paraxial Mesoderm, PXM）的标志基因表达情况。例如，MESP1 和 TBX6 在旁轴中胚层的表达特征清晰呈现，而 HAND1、GATA2 等基因标志了侧板中胚层的存在。图中还展示了脊索（Noto）、神经组织（Neural）、内胚层（Endoderm, Endo）以及表皮外胚层（Surface Ectoderm, SE）等主要胚层的基因表达特征。
| 名称 | 货号 | 规格 |
| QIAGEN Plasmid Maxi Kit (100) | 12165 | 100Test |
| QIAGEN Plasmid Maxi Kit (10) | 12162 | 10Test |
| QIAGEN Plasmid Maxi Kit (25) | 12163 | 25Test |
| Passive Lysis 5X Buffer | E1941 | 30ml |
