Nature：世界上首次构建出整个人类肢体发育过程的空间细胞图谱

人类的手指和脚趾并不是向外生长的；相反，它们是从一个更大的基础芽中形成的，随着中间的细胞退去，才会露出下面的手指和脚趾。在一项新的研究中，来自英国韦尔科姆基金会桑格研究所、中国中山大学和欧洲生物信息研究所等研究机构的研究人员利用前沿的单细胞和空间技术首次在时间和空间的分辨率上捕捉到整个人类肢体发育过程的空间细胞图谱。该图谱描述了人类早期肢体的细胞景观，精确定位了细胞的位置。这一发现提供了一个公开可用的资源，捕捉到了肢体形成早期阶段支配肢体快速发育的复杂过程。相关研究结果于2023年12月6日在线发表在Nature期刊上，论文“A human embryonic limb cell atlas resolved in space and time”。

这项研究是国际“人类细胞图谱（Human Cell Atlas）”计划的一部分，该计划旨在绘制人体每种细胞类型的图谱，从而改变人们对健康和疾病的认识。该图谱还揭示了发育细胞与一些先天性肢体综合征（如短指和多指）之间的新联系。

据了解，肢体最初是以未分化细胞袋（undifferentiated cell pouch）的形式出现在身体两侧，没有特定的形状或功能。然而，经过八周的发育，它们分化良好，解剖结构复杂，一眼就能认出是带有手指和脚趾的四肢。

这需要细胞进行非常快速和精确的协调。这一过程中的任何微小干扰都会产生下游影响，这就是为什么肢体变异是出生时最常报告的综合征之一，全球大约每 500 个新生儿中就有一个受到影响。

虽然在小鼠和小鸡模型中对肢体发育进行了广泛研究，但它们在多大程度上反映了人类的情况仍不清楚。不过，如今技术的进步使得科学家们能够探索人类肢体形成的早期阶段。

在这项新的研究中，这些作者分析了发育了五到九周的组织。这使他们能够追踪在特定时间和特定区域激活的特定基因表达程序，这些程序塑造了正在形成的肢体。对组织进行的特殊染色清楚地揭示了细胞群体是如何以不同方式排列形成肢体的。

作为这项新研究的一部分，这些作者证实某些基因模式对手足的形成具有影响，并确定了某些基因一旦遭受破坏，就会与特定的肢体综合征有关，如短指症（brachydactyly）和多指（polyndactyly）。他们还证实，人类和小鼠的肢体发育在许多方面是相同的。

总之，这些发现不仅深入揭示了人类肢体发育的特征，还提供了可能影响先天性肢体综合征诊断和治疗的重要见解。

论文共同通讯作者、中山大学的Hongbo Zhang教授说，“数十年来对模式生物的研究为我们了解脊椎动物的肢体发育奠定了基础。然而，在此之前，我们还无法确定人类肢体发育的特征，也无法假设小鼠模型与人类发育的相关性。我们揭示的是一个高度复杂和精确调控的过程。这就像看一个雕刻家在工作，在一块大理石上凿出一件杰作。在这种情况下，大自然是雕塑家，结果是我们的手指和脚趾令人难以置信的复杂性。”

图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06806-x。

论文通讯研究的资深作者、韦尔科姆基金会桑格研究所的Sarah Teichmann博士说，“我们第一次能够在空间和时间上捕捉到单细胞分辨率的肢体发育的非凡过程。我们在人类细胞图谱中的工作加深了我们对解剖学上复杂结构如何形成的理解，帮助我们揭示了人类健康发育背后的遗传和细胞过程，对研究和医疗保健产生了许多影响。例如，我们发现了可能调控肌肉干细胞的关键基因 MSC 和 PITX1 的新作用。这为治疗肌肉相关疾病或损伤提供了可能。” （生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Hongbo Zhang et al. A human embryonic limb cell atlas resolved in space and time. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06806-x.

First spatial map of human limb development reveals unexpected growth processes and explains syndromes found at birth
https://www.sanger.ac.uk/news_item/first-spatial-map-of-human-limb-development-reveals-unexpected-growth-processes-and-explains-syndromes-found-at-birth/