哺乳动物原肠胚模块化组织与Spemann-Mangold组织中心的演化意义

【编辑推荐】研究人员通过两栖类与哺乳动物胚胎对比，揭示脊椎动物体轴规划的模块化机制：Spemann-Mangold组织中心(SMO)主导神经诱导和头部发育，原始条纹(Primitive streak)驱动躯干-尾部形成。利用多能干细胞模型(gastruloids)证实这些模块为独立发育单元，为脊椎动物体轴进化提供新见解。

　　

脊椎动物胚胎如何通过精确的时空调控构建复杂体轴？传统两栖类研究发现的Spemann-Mangold组织中心(SMO)和尾部组织中心，在哺乳动物中是否存在功能同源结构？这一科学问题困扰发育生物学界数十年。由Alfonso Martinez Arias团队发表在《Cells》的研究，通过创新性结合小鼠胚胎实验与多能干细胞模型(gastruloids)，首次系统揭示了哺乳动物体轴形成的模块化原理。

研究采用三大关键技术：1）小鼠胚胎移植实验验证组织中心功能；2）建立化学定义培养条件下的PSC聚合体(gastruloids)模拟原肠胚；3）通过Nodal/Wnt信号通路抑制剂操控基因表达模块。样本来源于实验室自建的小鼠胚胎库和干细胞系。

【The organizer and neural induction in mammals】
研究发现哺乳动物中脑区域存在SMO同源结构，通过BMP⁴和Wnt₃激活Eomes/Tbxt基因，驱动头部神经诱导。两栖类动物极外胚层与哺乳动物上胚层(epiblast)具有相似多能性。

【The mammalian Primitive streak】
原始条纹作为多细胞引擎，通过上皮-间质转化(EMT)沿前后轴延伸，形成躯干-尾部基础。鸡和小鼠研究显示其存在物种特异性调控差异。

【Gastruloids as models of the Primitive streak】
gastruloids在化学诱导下重现胚胎基因表达轴向模式，证实体轴模块的自主性。抑制Nodal/Wnt信号可获得纯前神经命运细胞群(B模块)。

【Nodal and Wnt signalling during gastrulation】
Nodal前体和BMP⁴启动Nodal/Wnt₃自维持模块，与BMP协同调控原始条纹延伸。

【Conclusion: an evolutionary perspective】
研究提出脊椎动物体轴三模块理论：前脑模块(B)、中段头颈模块(M)和后部轴向延伸模块。两栖类M模块（如蛙类面部）较短，而哺乳动物显著延长，解释骨骼系统进化差异。

该研究突破性发现哺乳动物发育的模块化本质，gastruloids模型为人类发育研究提供伦理替代方案。专利技术PCT/GB2019/052668/670有望应用于器官再生领域。ERC AdG和Maria de Maeztu计划资助的这项成果，为理解脊椎动物体型进化提供了全新框架。