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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)銜多家科研機構(gòu)在全球首次構(gòu)建單細胞精度三維數(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)不僅填補了哺乳動物心臟早期發(fā)育機制的理論空白，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《細胞》上。

“早期胚胎的細胞團里，藏著心臟、肺、肝臟等器官形成的關(guān)鍵細胞?！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，科研團隊在全球首次構(gòu)建了從小鼠原腸運動后期到心臟等器官原基形成期的單細胞精度三維數(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個單細胞數(shù)字胚胎，每個胚胎細分為60個切片，累計解析數(shù)十萬個細胞的基因表達信息?！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，團隊在器官原基形成關(guān)鍵時期，對小鼠胚胎進行單細胞空間組學(xué)分析，如同給每個細胞裝上“GPS定位”，記錄其基因表達特征與空間位置。

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?！绷殖衅逭f，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。“PDZ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)胚層器官命運的細胞群，進而研究基因突變或環(huán)境因素如何影響這一過程。