脊椎动物胚胎发展中的轴体形成机制

脊椎动物胚胎的轴体发育起始于胚胎尾部的祖细胞群，这一过程由神经中胚层祖细胞（NMP）主导。NMP具备分化为外胚层的神经板和神经管，以及向中胚层发育为脊索和轴旁中胚层（PXM）的能力。PXM进一步发展为体节，而体节又可细分为生骨节、生皮节和生肌节，最终形成脊椎骨架。脊索、神经管和体节是躯干组织的重要成分，其中脊索作为轴体形成的标志性结构，不仅支撑着发育中的胚胎，还通过信号分子的调控促进周围组织的正常发育。

尽管已有多项研究表明可通过干细胞技术开发模仿原肠胚和体节等结构的类器官，但关键的脊索及其依赖的组织，如神经底板的体外模型尚未成功构建。直到2024年12月18日，英国Francis Crick Institute的研究团队在顶尖期刊《Nature》上发布了研究成果，提出“及时抑制TGFβ信号诱导脊索形成”的新方法。他们首次通过WNT和FGF的激活，并在延迟24小时后的TGFβ/BMP抑制成功地诱导了脊索类器官（notoroids）的形成。这一方法使得体外构建被体节和周围神经组织包覆的脊索细胞成为可能，并且产生的脊索类器官具有调控神经管及体节发育的能力。

在研究过程中，鸡胚尾部区域的单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析揭示，在发育的4至13个体节阶段，对脊椎动物躯干形成起主要作用的祖细胞群体是NMP和脊索祖细胞。NMP表现出神经细胞标志物SOX2与中胚层标志物TBXT的共表达特征，而脊索祖细胞则拥有高水平的TBXT、FOXA2和SHH等标志物。这些结果与小鼠和猕猴的相应检测发现相似，证实了脊椎动物躯干发育的保守性。

为了探讨特定信号通路在躯干祖细胞特化中的作用，研究团队构建了SOX2+TBXT+NMP的体外模型，并通过几何限制诱导有序的基因表达及脊索细胞、神经细胞的分区排列。这些研究表明，FGF和WNT信号在中胚层形成与PXM命运转变中起到重要作用。FGF信号的下游配体pERK1/2激活了TBXT标记的中胚层发育，但对SOX2标记的神经细胞的影响较弱，这说明FGF信号不足以独立驱动PXM的形成。而WNT信号则通过增强TBXT在NMP中的表达来促进中胚层的发育。WNT与FGF的协同作用对于脊索的形成至关重要。

通过scRNA-seq，研究人员发现NMP中BMP和NODAL的抑制因子BAMBI表达较高，而在脊索细胞中同样发现BMP拮抗因子NOG和CHRD的高表达。这些发现进一步揭示了BMP和NODAL抑制在脊索中的重要性。研究人员还发现，依据TGFβ/BMP抑制的施加时间不同，可以引导不同细胞命运的转变。短期抑制后，SOX2+TBXT+NMP显著减少，而细胞更多转变为TBXT+FOXA2+脊索细胞；长期抑制则诱导内胚层和侧板中胚层的形成。

综上所述，本研究采用人类胚胎干细胞，在WNT和FGF共刺激的基础上进行TGFβ信号抑制，最终在经过四天的视黄酸前体添加培养后成功建立了脊索类器官。该模型内部的细胞显示出TBXT的表达，指向脊索的身份。外层细胞为SOX2+TBXT-，形态类似于神经上皮。这些脊索类器官为研究胚胎尾部神经形成及躯干组织的发育提供了良好的实验平台。

SHH作为一种形态发生素，在不同浓度下对神经元的分化具有不同的影响。scRNA-seq结果显示，脊索类器官分泌的SHH促进神经管向腹部神经元的分化，并且多种侧腹细胞类型的基因表达与脊索细胞的存在密切相关。此外，新生的PXM与脊索共表达BMP拮抗剂NOG和CHRD，从而促进体节的形成与分化。在脊髓类器官的发育过程中也观察到了与生骨节命运相关的基因表达模式，进一步证实了脊索类器官对周围组织命运的调控能力。

在研究中，科学家们发现WNT和FGF的刺激，以及BMP和NODAL的抑制，是产生和维持躯干祖细胞及后部身份的重要因素。WNT和FGF信号能够诱导内源性NODAL和BMP的长期产生，从而促进内胚层和侧中胚层的分化，这一机制为以往通过CHIR和FGF建立3D类原肠胚方案的成果提供了新的解释。本研究为脊椎动物躯干的发育机制提供了全新的见解，同时建立了一个可以用于脊索研究的体外模型平台，为生物医学研究领域带来新的思路与方向。

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