Hensen结细胞组成动态变化塑造脊椎动物体轴诱导特性的分子机制

本研究通过单细胞转录组学和高分辨率原位杂交技术，揭示了禽类胚胎Hensen结中存在转录和功能迥异的前后区室化细胞群。研究人员发现前部GSC+细胞负责头部诱导，而后部LMO1+/RND3+细胞共表达组织者和中胚层基因，具有躯干诱导能力。该发现阐明了组织者动态变化的细胞基础，为理解脊椎动物体轴协调发育提供了新范式。

　　

在脊椎动物胚胎发育过程中，组织者(organizer)作为关键的信号中心，通过分泌形态发生素协调体轴形成。尽管一个世纪前Spemann和Mangold就发现了其诱导次级体轴的能力，但组织者动态变化的细胞基础始终成谜。禽类胚胎的Hensen结作为经典模型，其细胞组成与功能异质性长期缺乏系统解析，特别是如何通过时空变化协调头尾结构诱导的机制亟待阐明。

研究团队整合单细胞RNA测序(scRNA-seq)、杂交链式反应荧光原位杂交(HCR-FISH)和胚胎移植实验，首次绘制了Hensen结的单细胞图谱。通过分析HH3-HH6阶段8134个细胞，发现CHRD⁺组织者细胞存在前部GSC⁺和后部LMO1⁺两个亚群。前者表达头诱导因子(如CER1/OTX2)，后者富含中胚层标志物(MSGN1/ZEB2)。空间分析显示前部细胞位于腹侧，后部细胞分布于背外侧，形成明确的区室化结构。

主要技术方法

研究采用38个HH4期鸡胚节点进行10x Genomics单细胞测序，通过Seurat分析鉴定细胞亚群；使用分子仪器公司(Molecular Instruments)的HCR-FISH技术实现多基因共定位；建立转基因鸡胚移植模型（GFP⁺供体→野生型宿主）验证诱导功能；应用CellProfiler进行图像分割量化空间分布；结合RNA velocity和Monocle3推断发育轨迹。

Hensen结由两个CHRD阳性细胞群组成

单细胞聚类揭示HH4节点含4个群体：外胚层(CDH11⁺)、内胚层(SOX17⁺)和两个CHRD⁺亚群。前部群体高表达GSC和CER1，后部群体特异性表达LMO1和间充质基因RND3。基因本体分析显示后部群体显著富集中胚层发育相关通路。

Hensen结的细胞空间组织

三维重构显示GSC⁺细胞位于节点前腹侧，LMO1⁺细胞形成双侧后区域。横断面成像结合计算分割证实该空间分布模式，并发现边界区存在过渡态细胞。RNA velocity分析提示两组细胞早期即出现转录分歧。

节点细胞群的时序分离

动态追踪显示HH3节点仅含前部群体，HH4出现混合，HH6完全转变为后部群体。移植实验证实HH6节点可诱导次级体轴但缺失OTX2⁺前神经组织，而SOX2N1增强子(后神经标志)被特异性激活。

后部节点细胞诱导尾侧中胚层

单细胞测序发现移植后宿主细胞分化为脊索(HOXB8⁺)和体节(TCF15⁺)。共培养实验证明HH6节点可诱导人多能干细胞(hESC)表达BRA(中胚层标志)。

该研究首次揭示脊椎动物组织者通过前后细胞亚群的动态平衡实现诱导功能转换。前部GSC⁺细胞通过抑制BMP/WNT信号诱导头部结构，而后部LMO1⁺群体通过中胚层程序驱动躯干发育。这种时空编码机制不仅解释了经典移植实验的阶段性差异，也为再生医学中体轴重建提供了新思路。研究发表于《Nature Communications》，通过多组学整合重新定义了组织者的细胞基础，标志着胚胎诱导研究进入单细胞精度时代。