摘要：在哺乳动物的胚胎发育过程中，内胚层（endoderm）是形成重要器官的基础，特别是呼吸系统和消化系统。然而，内胚层如何从一个简单的细胞层分化为这些复杂器官的过程，直到今天依然充满了未知。随着研究手段的进步，研究人员逐渐揭开了这一复杂过程的面纱。1月16日Cel

引言

在哺乳动物的胚胎发育过程中，内胚层（endoderm）是形成重要器官的基础，特别是呼吸系统和消化系统。然而，内胚层如何从一个简单的细胞层分化为这些复杂器官的过程，直到今天依然充满了未知。随着研究手段的进步，研究人员逐渐揭开了这一复杂过程的面纱。1月16日Cell的研究报道“Spatiotemporal and genetic cell lineage tracing of endodermal organogenesis at single-cell resolution”，通过创新的基因追踪技术和单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing，scRNA-seq），系统地揭示了内胚层细胞的时空分化轨迹，并为内胚层的发育提供了新的理解。

该研究采用了多达14种不同的遗传标记，利用小鼠模型追踪了内胚层的不同区域，分析了其在早期胚胎发育中的分化路径。研究发现，内胚层细胞不仅具有多向分化的潜力，而且在形成各个器官的过程中，来自不同区域的细胞往往共同参与器官的生成。这一发现挑战了传统的内胚层分化模型，揭示了器官发育的多源性特征。这项工作不仅加深了我们对内胚层器官发生的理解，也为再生医学和类器官（organoid）模型的建立提供了宝贵的线索。

通过高分辨率的单细胞分析和精准的时空基因追踪，研究人员能够详细描绘出内胚层各个细胞群体如何在不同的发育阶段朝向不同器官的命运发展。例如，胰腺、肝脏、胃以及肠道等器官的发育，都涉及多个内胚层亚区域的细胞协同作用。这项研究不仅突破了过去因技术限制无法解决的瓶颈，还为进一步研究细胞命运决定和器官发生的基本机制提供了新的视角。

随着内胚层器官发生机制的深入探索，未来我们可能能够更加精确地模拟这些发育过程，从而推动再生医学和个性化医疗的发展。该研究的成果无疑为我们了解生命的起源和发育过程提供了全新的理解，也为治疗许多复杂疾病开辟了新的方向。

内胚层：生命之源的神秘起点

内胚层（endoderm）是哺乳动物胚胎发育中的三大胚层之一，位于胚胎的最内层。它在胚胎发育的早期阶段就开始发挥着至关重要的作用，主要负责构建许多关键器官，如呼吸系统和消化系统。内胚层不仅是这些器官的“根基”，还是多种组织类型的起源地。研究人员发现，内胚层的细胞不仅在形态上有剧烈的变化，还在功能上承担着多重任务，是发育过程中不可或缺的一部分。

内胚层细胞的多能性是其最大的特点之一。在胚胎发育的早期，内胚层的细胞并未固定在某一器官命运上，而是呈现出一定的“潜能”，可以根据不同的信号环境分化为多种类型的细胞。这种可塑性为胚胎的复杂发育过程提供了巨大的灵活性。例如，同样来源于内胚层的细胞，可以分别发育成肝脏、胰腺、胃、肠道等器官，甚至是在这些器官的特定区域形成不同类型的细胞。正因为如此，内胚层的发育对整体器官的形成起着决定性作用。

近年来，随着基因追踪技术和单细胞RNA测序（scRNA-seq）的发展，研究人员得以更精确地揭示内胚层的细胞如何在不同时间点和空间中发生变化。通过对内胚层细胞进行追踪，研究人员发现，内胚层并非简单地按照固定模式进行分化，而是在发育过程中经历了多次复杂的命运决定。这种发育过程的多样性和复杂性，使得内胚层在器官发生中的作用显得尤为重要，尤其是在理解器官发育的多源性和交叉性方面具有深远的意义。

从一层细胞到多样器官：内胚层的分化奇迹

内胚层是胚胎发育中最早分化的组织之一，它在胚胎的早期阶段为多个重要器官的形成提供了基础。内胚层的细胞并不固定在某一器官的命运上，而是随着发育进程，分化出多种不同的器官。

在胚胎发育的初期，内胚层通过复杂的细胞分化过程，形成了多个器官的初始结构。例如，肺、肝脏、胰腺和胃肠道等器官，都源自内胚层的不同亚区域。具体而言，内胚层的前肠部分（FG区域）发展成肺和食管，而中肠和后肠区域则分别分化为胃肠道和大肠。特别是肺的发育，从内胚层的前肠部分（FG3和FG4）共同贡献细胞，并且肺的发育过程中，FG4和FG3的细胞逐渐汇聚，形成复杂的肺组织。此外，肝脏的形成不仅源自FG4区域，还涉及来自前肠（AL）亚区域的贡献。这种“多源性”概念，表明不同区域的内胚层细胞可以协同发育出同一个器官。

“多源性”是指同一个器官在发育过程中，往往不是由单一来源的细胞构成，而是由多个来源的细胞共同贡献。以肝脏为例，研究发现，肝脏的发育不仅源自FG4，还包括来自前肠AL1、AL2和AL3等多个区域的细胞。这些细胞在发育过程中相互作用，形成了肝脏的复杂结构和功能。通过基因追踪技术，研究人员发现，这种来自不同内胚层区域的细胞贡献，不仅发生在肝脏，也广泛存在于胃、胰腺、肠道等器官的发育中。

这种多源性的发现挑战了传统的器官发育模型，传统模型认为每个器官仅由一个特定区域的细胞发展而来。

通过基因追踪技术精确地标记和追踪小鼠胚胎内胚层的细胞（Credit:Cell）

(A) 使用UMAP展示了在小鼠胚胎第8.5天（E8.5）对应9节脊阶段（9SS）时，内胚层中的14种不同细胞类型。每个细胞类型通过不同的颜色标记。图中展示了前肠（FG）、前肠口唇（AL）、中肠（MG）和后肠（HG）等内胚层区域的细胞分布。

(B) 展示了在UMAP图中的标记基因表达水平，进一步说明了每种细胞类型特征性标记基因的分布情况。

(C) 结合了基因追踪标记后的细胞信息到UMAP图中，并保持与图(A)中的颜色一致。这些细胞通过不同的基因标记（如Rosa-RFP、Rosa26-tdTomato、Ai6等）进行区分，并展示了不同谱系的细胞如何分布。

(D) 通过荧光成像展示了在9–10体节（9-10SS）阶段，通过不同谱系追踪标记的区域，图中标明了追踪信号的位置，黄色箭头或虚线指示了荧光信号的位置。白色虚线标示了切片位置，白色虚框突出显示了更高倍的放大区域。

(E) 提供了每个基因追踪谱系标记的区域示意图，采用与图(A)中一致的颜色，显示了不同谱系在胚胎中的空间分布。

(F) 和 (G) 展示了内胚层细胞的空间分布示意图，图(F)显示了通过部分切除后内胚层的排列方式，图(G)进一步阐明了内胚层在矢状面中的空间分布。

(H) 给出了基因谱系追踪的示意图，使用不同的颜色区分每个谱系，帮助可视化不同细胞类型的空间和发育轨迹。

揭秘细胞命运的轨迹

随着基因追踪技术和单细胞RNA测序（scRNA-seq）的快速发展，研究人员已能够以前所未有的精度追踪和分析内胚层细胞的命运。这些技术为我们提供了全新的视角，帮助揭示内胚层细胞在胚胎发育中的时空分化轨迹，极大地推动了对器官发生的理解。

基因追踪技术，特别是Cre-loxP系统，成为研究细胞命运和发育轨迹的重要工具。研究人员通过构建多种小鼠模型，这些模型能够在特定时间和空间内激活Cre酶，进而启动特定基因标记的表达，使得内胚层的不同细胞群体能够被精确地标记和追踪。研究团队利用Sox2-CreER、Wnt5b-CreER等基因追踪小鼠模型，成功地标记了不同内胚层亚区域的细胞，并通过与报告基因（如EGFP、RFP等）结合，实现了细胞的可视化追踪。这些技术使得研究人员能够在不同发育阶段，实时观察并记录内胚层细胞如何分化为各种器官细胞，揭示了它们的发育轨迹和空间分布。

与此同时，单细胞RNA测序技术（scRNA-seq）为研究提供了更为深入的基因表达信息。通过对单个细胞进行高通量的RNA测序，研究人员能够获得每个细胞在特定时刻的详细转录组数据。这种技术不仅使研究人员能够识别出细胞的基因表达特征，还可以精确地追踪每个细胞在发育过程中的命运变化。在该研究中，研究人员结合scRNA-seq和基因追踪技术，构建了内胚层细胞的时空分化图谱，揭示了这些细胞在胚胎不同阶段如何根据内外部信号的变化，转变为各种器官的前体细胞。

通过这两种技术的结合，研究人员能够绘制出更为精准的细胞分化路径图。比如，在早期胚胎发育的9-27个体发育阶段，研究人员发现内胚层细胞在不同的时空位置，不同的标记基因驱动下，逐步分化为特定的器官细胞。

器官发育的协同作用：不同区域的细胞如何合作

内胚层不仅是多种器官的发源地，它内部的不同亚区域细胞在器官发育过程中也相互合作，推动了各个器官的形成。这种协同作用是内胚层器官发生的核心特性之一，揭示了器官发育过程中细胞之间复杂的相互作用和协调机制。通过基因追踪技术和单细胞RNA测序，研究者们首次全面揭示了这一过程。

肝脏的发育并非单一来源的细胞贡献，而是多个内胚层亚区域细胞的协同作用。研究表明，肝脏的形成不仅源自内胚层前肠区域（FG4），还包括来自前肠的其他区域（如AL1、AL2和AL3）的细胞。在胚胎发育的过程中，这些区域的细胞共同作用，形成了肝脏的结构和功能。FG4细胞和AL3细胞的协调合作，尤其是在发育初期阶段，为肝脏提供了多样的细胞群体和组织结构。通过基因追踪实验，研究人员明确了这些不同区域的细胞在发育过程中是如何逐渐融合，最终共同形成肝脏的复杂组织。

胰腺的发育同样展现了内胚层细胞的多源性协同作用。研究发现，胰腺的胚胎发育不仅来源于中肠区域（MG3），还涉及前肠区域（AL3）。尤其是在胰腺内胰岛细胞的形成过程中，AL3区域和MG3细胞的相互作用至关重要。这些细胞通过不同的分化途径共同贡献胰腺的各个部分，包括胰腺导管系统和胰岛细胞群体。实验结果表明，AL3区域的细胞主要参与胰腺的胰岛部分形成，而MG3区域的细胞则主要贡献胰腺的管道系统。这一过程表明了胰腺发育的“多源性”特征——不同区域的细胞通过精密的协调和时间控制，共同完成胰腺的成熟和功能分化。

这些研究结果打破了传统的“单源”器官发育模型，提出器官的发育是一个复杂的、多源细胞协作的过程。在肝脏、胰腺等器官的发育中，来自不同区域的内胚层细胞不仅各自为阵，还通过彼此之间的合作，共同塑造出功能完善的器官结构。

生命起源的全新视角

内胚层的研究为我们提供了关于生命起源和发育的全新视角，不仅加深了我们对器官发生过程的理解，也为生物学和医学领域的未来发展指明了方向。该研究的突破性发现，挑战了传统的单一分化模型，揭示了内胚层在发育过程中扮演的多元角色，推动了对器官发育和细胞命运决定的重新思考。

通过基因追踪技术和单细胞RNA测序，研究人员深入揭示了内胚层细胞在发育过程中如何相互作用并分化成复杂的器官结构。特别是“多源性”和“多路径发育”的概念，为我们提供了对器官发育更加灵活和复杂的理解。内胚层不仅是单一器官的源头，而是多个器官的发源地，细胞之间的协作和交汇在这一过程中起到了至关重要的作用。这一发现使我们重新审视了生命体内各个细胞如何通过精确的时空调控，最终形成复杂的器官和系统。

从更深层次上讲，这项研究不仅仅是对胚胎发育过程的探索，它还深刻影响了我们对生命本质的理解。生命的多样性和复杂性，正是在这种微妙的细胞交互和协调下得以实现。这为我们提供了新的思路，特别是在再生医学和器官修复的研究中。

未来，随着这一领域研究的不断深入，内胚层的多源性和多路径发育可能将为个性化治疗和定制化药物开发提供关键的理论支持。我们对生命起源的理解，正从宏观的模式转向微观的细胞行为，揭示了从单一细胞到多样生命形态的精细过程。

参考文献

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)01425-9

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