祝贺！我司助力客户斩获Cell！中国农大&中科院动物所破解人类原条形成“黑箱”：胚外细胞协同调控是关键！
2026-07-03
中科新生命
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人类生命最初的3周是发育研究的“禁区黑箱”——这一阶段胚胎启动原肠胚形成并建立三胚层（所有器官的细胞起源），一旦调控紊乱，便会引发早期流产、胎儿先天畸形等问题。但由于天然胚胎样本极难获取、伦理限制严格，科学家对原条（原肠胚形成的核心结构）的启动机制知之甚少。
2026年6月，中国农业大学魏育蕾团队联合中国科学院动物研究所于乐谦团队在Cell（IF45.1）杂志发表题为“Reconstituting human primitive streak formation through extra-embryonic cell coordination”的研究论文，首次在体外通过胚外细胞协同调控重构了人类原条形成全过程，为打开这一发育“黑箱”提供了关键实验工具。中科新生命为该研究提供了蛋白质组学服务。
人始发态胚胎干细胞、人初始态多能干细胞、人囊胚来源滋养层干细胞等
步骤1
解析胚外羊膜样细胞（AMLC）和滋养层干细胞（TSC）对胚胎干细胞的差异化调控效应；
步骤2
基于天然胚胎空间转录组数据优化诱导条件，构建高纯度、可长期传代的人胚外中胚层干细胞系（ExMSC）；
步骤3
利用微工程重构胚外-胚胎的天然空间排布，明确三类胚外细胞协同诱导原条形成的时空规律；
步骤4
整合多组学数据，筛选三类胚外细胞调控胚胎发育的关键分泌因子，解析分子机制；
步骤5
验证盘状原肠类胚的进一步发育潜能，单细胞测序比对天然胚胎同源性。
研究团队首先用共培养体系测试了已报道的两类胚外细胞对ESC（胚胎干细胞）的作用。结果发现胚外羊膜样细胞（AMLC）是"诱导者"： AMLC可在无外源因子的条件下驱动ESC表达原条核心标记 TBXT（T），且诱导出的T+细胞保持致密克隆、定位于克隆边缘。滋养层干细胞（TSC）则是"刹车者"：它不仅不能诱导T+细胞，反而在CHIR存在时显著压制T+生成；Transwell非接触实验证实这种抑制由分泌因子介导、无需直接接触。这一结果提示，胎盘类哺乳动物通过"拉开上胚层与滋养层距离"来保护原肠胚启动，可能正是为了解除TSC的这种抑制作用。
图1 胚胎外细胞与胚胎外细胞共培养
为全局解析胚外细胞的调控效应，研究团队对共培养体系做了单细胞转录组，鉴定出6个主要簇，其中两个簇为特异性表达TBXT的细胞（T+细胞）：ESC在AMLC诱导下大量进入的早期T+状态（亚簇1）和在CHIR处理下偏向的晚期T+（亚簇2）。CHIR处理后的ESC再加入TSC后，T+细胞显著减少且晚期T+细胞几乎消失，验证了TSC的抑制作用。差异分析进一步挖出两组关键基因集，包括223个"本该被CHIR上调却被TSC压住"的基因（富集于器官发育/内胚层形成），和109个"CHIR上调且TSC压不住"的基因（富集于原肠胚形成/EMT）。这说明TSC并非"全盘否定"原肠信号，而是精准压制了晚期原条与内胚层分支，保留早期启动信号——这种"分级刹车"是此前未被发现的。
图2 共培养细胞的单细胞转录组分析
第三类胚外细胞——胚外中胚层（ExM）环绕胚胎盘边缘，但对上胚层的调控功能不清，且此前体外诱导的ExM异质性高、混杂TSC、无法长期传代。作者比对了近期发表的全长原肠胚期CS8人类胚胎空间转录组数据，发现天然ExM高表达I型胶原受体，且TGF-β通路活性显著高于滋养层。据此优化出"I型胶原基质 + 激活素A + FGFR1抑制剂PD173074"的培养体系，从初始态hPSC高效诱导出可稳定传代的高纯度胚外中胚层干细胞（ExMSC）。PCA整合分析显示，该ExMSC与CS7/CS8天然胚胎数据集中的ExM高度重叠，进一步证实新体系成功捕获了天然ExM身份。
图3 胚胎外中胚层干细胞的建立与验证
进一步研究ExMSC和ESC的互作，发现，无CHIR处理时，ExMSC对ESC无明显影响；但CHIR诱导T+后，活细胞成像捕捉到一个此前未被报道的现象——ESC向ExMSC定向迁移，且迁移细胞呈现EMT特征。此外，作为对照试验，293T或TSC在无论是否添加CHIR均无法引导ESC迁移，证实ExMSC的调控作用具有特异性。上述结果证实ExMSC可特异性引导诱导产生的T+ ESC迁移。
图4 经过CHIR处理的ESC向ExMSC迁移
人类胚胎经历一系列时空形态发生变化，逐渐转变为结构更复杂的双层胚胎。研究团队利用微工程技术在体外重构了胚外细胞与上胚层的相对空间位置，实现了胚外细胞对胚胎细胞调控作用的空间与分子层面的模拟。共培养72小时，胚胎盘中线出现沟状原条样结构，表达T/MIXL1，且添加WNT拮抗剂DKK1或CER1后结构消失，复刻了前后轴模式化。谱系消融实验再次确认了协同逻辑：去AMLC → 无T+生成；去ExMSC → 有T+但无有序结构；去TSC → 结构紊乱。借助转录组、蛋白组及分泌组筛出三类细胞的分泌因子：AMLC源的BMP4/WNT5B、TSC源的FSTL3和ExMSC源的APOL1/C1QTNF6。
图5 盘-胃体模型的建立与特征
为进一步表征盘状原肠类胚的细胞组成，研究团队对0/48/72h样本做单细胞转录检测，鉴定出7个簇。将盘状原肠类胚的细胞整合映射到CS7/CS8天然胚胎数据集，发现所有胚外簇与体内对应细胞重叠。进一步分析了原条形成过程中呈现差异表达模式的基因，并通过化学抑制剂扰动上述基因相关通路通：抑制FGF/TGF-β/WNT几乎完全阻断原条形成；抑制MEK/p38也显著削弱原条形成；抑制JNK虽不影响原条启动但破坏降低有序原条样结构的形成效率。这些结果提示上述通路在原条样结构形成中发挥关键作用。
图6 盘状小体模型的单细胞转录组分析
进一步探究盘状原肠类胚是否具备进一步发育潜能，研究团队把盘状类胚剥离胚外细胞后延长培养。结果显示，单独培养的盘状原肠类胚可自发形成伸长、不对称、弯曲的多层结构。为进一步表征延长培养盘状原肠类胚的细胞多样性，使用scRNA-seq鉴定出14个簇，该结果与CS10天然胚胎高度匹配。综上，这些分析结果提示，尽管存在一定差异与异常，盘状原肠类胚可进一步发育为与体内对应结构高度相似的胚胎样结构。
图7 盘状质模型的扩展发展
该研究首次构建了完全定义、无外源干扰的盘状原肠类胚模型，用微工程+三类胚外细胞（AMLC、TSC、ExMSC）的协同逻辑，在体外完整复刻了人类原条形成的时空过程，并具备进一步向躯干部发育的潜能。这一成果打破了原肠胚研究长期受样本稀缺和伦理限制的局面，为解析人类原条启动分子机制、研究出生缺陷病因、筛选发育毒性药物提供了前所未有的实验平台。
关于中科新生命
上海中科新生命生物科技有限公司（APTBIO）创立于 2004 年，由原中国科学院上海生命科学研究院蛋白质组研究中心孵化而来，是国内质谱多组学应用领域的开拓者。公司以 “AI + 质谱多组学” 双核驱动创新，构建智能化组学生态。拥有自主知识产权的质谱检测平台与 AI 大数据分析系统，聚焦科技服务、生物医药及大健康消费三大领域，为全球科研机构、医院、药企提供从基础研究到临床转化的一站式解决方案。融合多组学技术与人工智能，围绕生物标志物发掘、药物靶点筛选及个性化诊疗等方向，构建具有国际竞争力的组学数据库与算法模型，推动转化医学进程，加速创新药物研发，成为推动生命科学数字化升级的核心引领者。
