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。12月18日，由来自伦敦弗朗西斯·克里克研究所的研究团队在Nature发表的一项开创性研究“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。
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。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”。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。通过单细胞转录组技术解析鸡胚躯干发育过程中不同细胞群体的分布和特征（Credit: Nature）
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。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。图c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d则展示了脊索（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。例如，脊索细胞表现出TBXT（BRA）、NOTO和SHH的高表达，而神经细胞则富集于PAX6的表达。图e聚焦于旁轴中胚层（PXM）、神经-中胚层祖细胞（Neuromesodermal Progenitors, NMPs）和神经细胞的基因表达情况。这些细胞群体通过特定标志基因（如SOX2和TBXT）得以区分。图f展示了NMPs和脊索细胞的基因表达分布，特别是FOXA2、CHRD等脊索相关基因在特定细胞中的局部表达。图g总结了多个关键基因在不同细胞类型中的表达水平及阳性细胞的比例。例如，SHH主要集中在脊索和神经管腹板（floor plate），而TBX6则在旁轴中胚层中表现显著。研究还定义了神经嵴（NC）、前体体节中胚层（Presomitic Mesoderm, PreSomM）和中间中胚层（Intermediate Mesoderm, IntM）等多个重要细胞群体的特征。信号的交响曲：WNT、FGF、BMP和NODAL的精妙调控在胚胎发育的交响曲中，WNT、FGF、BMP和NODAL信号如同乐章的四大主题，共同演奏出脊索形成的和谐旋律。这些信号不仅决定了脊索细胞的命运，也为其他胚胎组织的模式化提供了精确的指导。研究显示，WNT和FGF信号在脊索的早期形成中扮演着至关重要的角色。WNT信号通过激活关键转录因子TBXT（也称BRA）来启动脊索前体细胞的分化，同时诱导FGF信号的增强。FGF信号则通过MAPK通路进一步促进WNT信号的活性，两者形成了一个正反馈环路，为脊索细胞的生成奠定了基础。这种协同作用使得神经-中胚层祖细胞（NMPs）能够维持多潜能性，同时逐步向脊索方向分化。然而，脊索的形成并不仅仅依赖信号的激活，也需要精准的抑制。研究团队发现，BMP和NODAL信号的时间性调控是脊索发育的关键。实验显示，如果BMP和NODAL信号过早被抑制，胚胎可能会产生过多的神经组织，脊索的生成反而受到阻碍；而如果抑制的时间延迟，胚胎会偏向生成内胚层或侧板中胚层细胞，脊索同样难以形成。这种复杂的动态调控表明，BMP和NODAL信号的作用如同“节奏器”，需要与WNT和FGF信号的旋律完美同步，才能奏出脊索生成的“主旋律”。研究进一步通过人类干细胞培养模型验证了这一机制。实验显示，在特定时间点加入BMP和NODAL的抑制剂，可以显著提高脊索细胞的比例，同时减少内胚层细胞的生成。这一发现为优化体外培养条件，生成功能性脊索细胞提供了重要的指导。信号的交响不仅展现了脊索形成的复杂性，也让我们看到生命发育的奇迹。正是这些信号的精确调控，让胚胎从无序走向有序，从潜能走向功能。在实验室中重现人类脊索的发育过程，曾被认为是生物学领域的一大挑战。该研究利用多能干细胞（pluripotent stem cells），成功建立了一种三维的“微型胚胎”模型，不仅再现了脊索的发育，还重建了包括神经管和中胚层在内的关键组织，为人类胚胎研究提供了前所未有的视角。研究团队采用了一种优化的三维培养策略。首先，他们通过添加FGF和WNT激动剂（如CHIR99021），在培养基中创造了有利于胚胎后部细胞发育的环境。这种处理诱导了大量SOX2和TBXT双阳性细胞的生成，这些细胞被认为是脊索前体细胞（notochord progenitors）。随后，研究人员在适当时机加入BMP和NODAL信号的抑制剂，精准控制了胚胎分化过程中信号的动态平衡，使脊索细胞得以逐步成熟。实验中，研究团队进一步探索了培养基几何限制的作用。他们在微图案化的基质上种植干细胞，通过调节培养基中细胞的空间分布，成功实现了脊索细胞、神经细胞和中胚层细胞的分区排列。在这种设计中，脊索细胞通常位于培养基的边缘，而神经组织则集中在中心，呈现出类似于胚胎中轴结构的模式。这一三维“微型胚胎”不仅成功生成了功能性脊索细胞，还显现出脊索信号对周围组织分化的模式化作用。例如，在实验过程中，脊索释放的信号成功诱导了相邻神经管腹板和体节的发育，进一步证明了脊索的调控能力。更令人振奋的是，这种模型还可以延展到更复杂的三维结构中。在延长培养时间后，研究者观察到类似脊椎动物胚胎的形态发生过程，包括组织的伸长和形态的分化。作为胚胎发育的“指挥官”，脊索不仅自身发育重要，还通过释放信号分子深刻影响周围组织的分化与模式化。特别是在神经管和体节的形成过程中，脊索的作用尤为关键。这种中心结构释放的信号，犹如一位经验丰富的建筑师，精确指导着胚胎中轴的构建。研究显示，脊索通过分泌Shh（Sonic Hedgehog）信号调控神经管的腹侧模式化。Shh是一种重要的形态发生素，其浓度梯度决定了神经管细胞的命运。例如，高浓度的Shh信号诱导神经管腹板（floor plate）的形成，而中低浓度的Shh则推动了运动神经元等细胞类型的分化。这一过程如同在神经管中绘制出一幅立体地图，使得不同区域的细胞根据信号梯度获得独特的身份。除了神经管，脊索还对体节（somite）的形成具有不可或缺的影响。体节是胚胎中形成骨骼、肌肉和皮肤的基本单位，其分化受脊索信号的严格调控。研究发现，脊索释放的NOG（Noggin）和CHRD（Chordin）等因子通过抑制BMP信号，为体节的形成提供了适宜的环境。这种调控机制在时间和空间上高度精确，确保体节以正确的顺序沿胚胎中轴依次生成。此外，脊索还通过与旁侧中胚层的相互作用，引导出体节的前后极性，使其能够进一步分化为特定的结构。研究团队利用三维人类干细胞模型进一步验证了这些机制。在脊索发育的同时，相邻神经管和体节的分化也得到了高度再现。这些实验不仅证实了脊索信号在胚胎发育中的核心地位，也揭示了它在多组织协调中的复杂性。脊索对周围组织的引导作用，展现了生命发育过程中的精妙合作。它不仅是胚胎中轴的支撑，更是多种组织模式化的催化剂。脊索研究的突破不仅拓宽了我们对胚胎发育的理解，还为多领域的应用潜力铺平了道路。这一由多能干细胞重现脊索及相关组织的三维发育模型，如同一座桥梁，将基础研究与临床实践紧密联系在一起，为脊柱疾病研究、组织工程和再生医学带来了无限可能。首先，这项研究为脊柱疾病的病因学研究提供了重要工具。脊柱畸形、椎间盘退变等疾病往往与脊索信号的异常密切相关，但其发病机制却长期未能完全阐明。通过三维脊索模型，研究人员可以精确模拟脊索细胞如何在胚胎发育中调控椎间盘的形成和功能，从而帮助识别潜在的致病基因和信号异常点。这种模型也为高通量药物筛选创造了条件，有望加速针对相关疾病的创新治疗策略的开发。其次，这项研究在组织工程领域具有重要意义。脊索模型展示了如何在实验室中生成功能性脊索细胞及其周围组织，为组织替代治疗提供了可能。例如，对于脊柱损伤或退行性疾病，研究者可以利用这一模型设计人工脊索替代物，精准修复受损部位。这种基于生物学的设计理念，有望克服传统植入物生物相容性不足和长期稳定性差的问题。更为重要的是，这项研究为再生医学提供了新思路。通过优化三维培养条件，未来或许可以重建更复杂的多组织结构，包括神经、肌肉和骨骼系统，为先天性发育缺陷的修复提供全新的治疗手段。此外，这一研究还为个性化医学奠定了基础，例如利用患者自体细胞生成个性化脊索模型，用于模拟特定疾病的发病过程和治疗响应。这一三维脊索模型不仅是胚胎发育研究的里程碑，也是未来生物医学的“工具箱”。它为我们提供了一种从根本上理解和干预复杂疾病的新方式，将基础科学的探索转化为推动人类健康的实际力量。Rito T, Libby ARG, Demuth M, Domart MC, Cornwall-Scoones J, Briscoe J. Timely TGFβ signalling inhibition induces notochord. Nature. 2024 Dec 18. doi: 10.1038/s41586-024-08332-w. Epub ahead of print. PMID: 39695233.
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