综合多组学图谱揭示小鼠原肠胚形成时期时空调控网络的层级结构

胚胎如何构建其体轴图谱

包括人类在内的每种哺乳动物都源自一个微小的细胞团，这些细胞必须在极短的时间内重组为具有头、尾、背、腹及内部器官的复杂体形。这一剧烈重塑发生在称为原肠胚形成的短暂窗口期。本文汇总的研究在小鼠胚胎中绘制了这一过程的详尽多层次图谱，展示基因、DNA开关和化学信号如何在时空上协同作用，引导细胞走向各自的命运。

观察成千上万细胞如何做出选择

为实时追踪原肠胚形成，研究者分析了来自小鼠胚胎五个紧密相连阶段的超过35,000个单细胞。在每个细胞中，他们不仅测量了哪些基因被激活，还测定了哪些DNA片段是开放且可及的——这表明这些区域可作为调控开关。基于这些数据，他们鉴定出31种不同的细胞类型，并追溯早期可塑细胞如何逐步分化为最终构成所有组织器官的三大胚层——外胚层、中胚层和内胚层。他们还开发了一种新的计算方法BioCRE，更精确地将基因与其控制性DNA元件关联起来，揭示许多关键开关位于被调控基因的远端。

在真实胚胎空间构建三维分子图谱

大多数单细胞方法会丢失细胞在胚胎内的原始位置，但空间位置信息对理解模式化至关重要。该团队通过将单细胞数据对齐到现有的小鼠胚胎三维基因表达图上解决了这一问题。由此产生了ST-MAGIC，一个“数字胚胎”，其中每个微小空间点都被注释为可能存在的细胞类型、这些细胞表达的基因以及周围DNA的可及性。该图谱例如展示了不同中胚层亚型——将来形成心脏、肌肉和支持组织的细胞——如何在不同区域出现，以及像Otx2这样在多个部位表达的基因在胚胎外层（上皮胚）与内层（脏层内胚）上使用不同的调控元件。

当对称被打破，左侧与右侧开始分化

体轴的一个显著特征是左右两侧并非完全对称——比如心脏通常偏向左侧。作者利用他们的空间图谱聚焦于侧中胚层，这是左右差异首次出现的区域。他们发现细胞类型在左右两侧的富集情况以及哪些DNA区域更为开放存在细微但一致的不对称。在右侧，与BMP生长信号通路相关的区域更为开放；在左侧，则偏向与节段形成和心脏结构相关的基因的开放区域。其中一些DNA元件（包括新发现的控制Lefty2的元件）在基因表达差异可见之前就已开放，这表明染色质景观的早期“准备”使胚胎两侧能以不同方式解读信号。

一系列因子接力引导体轴中线

研究随后聚焦于轴向中胚内层（axial mesendoderm），这是一群将形成脊索的细胞——脊索是沿中线延伸的棒状结构，有助于组织脊柱和神经系统。利用他们的组合工具（ST-MAGIC及其扩展版本ST-MAGIC (+)），作者追踪这些细胞如何从前原条产生并分化为两条分支：构建具纤毛结构并对左右感知重要的节结细胞（node cells），以及贡献中线组织的前中胚内层（anterior mesendoderm）。他们发现了一套分层的转录因子接力：早期因子如EOMES，以及中间因子包括FOXA2和LHX1，首先打开关键DNA区域并建立对主要信号如WNT和NODAL的响应性；随后“终端”因子如NOTO、SOX9及新涉入的POU6F1开启特化的基因程序，例如纤毛或细胞外基质相关基因。

信号、染色质与晚期专门因子

通过整合公开数据集关于WNT和NODAL信号效应子在DNA上的结合位点，作者表明胚胎对这些信号的响应性在空间上先发生改变，而不是等到信号源本身移动。在被预设为成为轴向中胚内层的区域，响应NODAL和WNT的DNA位点较早开放，且其中许多含有FOXA2、Zfp281和其他调控因子的结合序列，提示协同控制。实验上敲除小鼠中的晚期作用因子NOTO和POU6F1会扰乱节结特异性和纤毛相关基因的表达并使节结纤毛变短，但底层的开放DNA景观基本保持不变。这表明早期因子建立了表观遗传基础，而晚期因子主要在不重塑染色质的情况下精细调控基因表达。

这项工作为何对理解发育重要

对非专业读者而言，这项工作可被视为构建了一张高分辨率的“接线图”，说明胚胎如何绘制其体轴图谱。作者展示了原肠胚形成期间的细胞命运决策不仅受存在哪些信号影响，还取决于DNA开关何时何地被打开以及哪些转录因子按序发挥作用。他们的ST-MAGIC和ST-MAGIC (+) 图谱为在时空中探索这些关系提供了资源，构成一个框架，可为研究先天缺陷、基于干细胞的胚胎模型以及最终理解人类发育的某些方面提供参考。

引用: Yang, X., Xie, B., Shen, P. et al. Integrated multi-omic atlas reveals the hierarchy of spatiotemporal regulatory networks of mouse gastrulation. Nat Commun 17, 1572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68291-w

关键词: 原肠胚形成, 基因调控网络, 单细胞多组学, 胚胎模式化, 小鼠发育