单细胞数字胚胎“破译”心脏发育密码

科技日报南京6月18日电 （记者金凤 通讯员吴涵玉）在生命起源的奥秘中，胚胎发育始终是深受关注的谜题之一。东南大学教授林承棋、罗卓娟、谢芃领衔多家科研机构在全球首次构建单细胞精度三维数字胚胎，并在其中发现中内胚层器官的原基决定区，“破译”心脏发育密码。这一发现不仅填补了哺乳动物心脏早期发育机制的理论空白，也为先天性心脏病防治及再生医学发展提供关键理论基础。相关研究成果18日发表在国际学术期刊《细胞》上。

“早期胚胎的细胞团里，藏着心脏、肺、肝脏等器官形成的关键细胞。”论文共同通讯作者林承棋介绍，哺乳类动物的胚胎经过原肠运动后，形成外、中、内3个胚层。经过生物体内复杂的信号通路调控，三胚层进一步形成各种器官原基，即器官的雏形。

长期以来，胚胎中胚层和内胚层器官原基的精确定位及形成机制一直是困扰学界百年的“世纪难题”。

此次研究中，科研团队在全球首次构建了从小鼠原肠运动后期到心脏等器官原基形成期的单细胞精度三维数字胚胎，试图了解器官特别是心脏的发育过程。

“我们建构了6个单细胞数字胚胎，每个胚胎细分为60个切片，累计解析数十万个细胞的基因表达信息。”论文的共同第一作者谢芃介绍，为捕捉器官形成的动态过程，团队在器官原基形成关键时期，对小鼠胚胎进行单细胞空间组学分析，如同给每个细胞装上“GPS定位”，记录其基因表达特征与空间位置。

研究发现，在小鼠胚胎发育到7.75天时，胚内、胚外层交界处出现一个独特的信号“洼地”——器官原基决定区（PDZ）。

“PDZ处于胚内层高浓度信号抑制分子与胚外层激活性配体分子的交界处，这里的信号活性偏低，但可以表达多种受体信号基因，容易接收多胚层信号的调控输入，驱动心脏等器官原基协同发育的微环境。”林承棋说，此次研究首次揭示了PDZ可以通过整合无翅型相关整合位点、成纤维细胞生长因子、骨形态发生蛋白等通路，将微环境信号转化为基因选择性表达指令，驱动器官原基形成。

当前，我国出生缺陷发病率约5.6%，其中先天性心脏病是最为常见的出生缺陷类型。“PDZ的发现，为追溯心脏发育异常的起源提供了‘时空坐标’——在胚胎器官发育的关键窗口期，遗传因素或环境因素对PDZ的干扰，可能导致器官原基形成异常。”论文共同通讯作者罗卓娟表示，通过数字胚胎技术，科学家能精准定位决定中内胚层器官命运的细胞群，进而研究基因突变或环境因素如何影响这一过程。