科学家们建立了单细胞数字胚胎破解心脏发育密码

近日，四川大学数学学院研究员刘伟与合作伙伴系统分析了小鼠初期心脏等中、内胚层器官的动态发育图，创新构建了覆盖小鼠原肠运动后期至心脏等器官原基形成期的单细胞精度三维数字胚胎。相关结果发表在《细胞》中。

刘伟主导设计了两种重要的分析工具：CoFAST算法和INR-smooth平滑技术，为研究突破提供了核心技术支持。

自1924年Spemann和Mangold发现外胚层器官“组织中心”以来，科学家们对胚胎发育的研究主要集中在外胚层器官(如神经管)的形成机制上，而长期以来，对心脏等中、内胚层器官的发育调节缺乏系统的分析。刘伟研究人员和合作伙伴专注于胚胎细胞微环境的动态调节，以分析器官原基胚层发源机制的核心科学问题。

本研究首次通过单细胞空间组学技术揭示了器官的原始基础决定区(PDZ)PDZ作为跨胚层信号集成枢纽的核心功能，通过集成WNT、将微环境信号转化为基因选择性表达指令，调节器官原基的形成，BMP和FGF等信号通路。

机制研究表明，PDZ的信号集成能力取决于其独特的分子组成——低内源信号活性和高外源信号响应。这一特性使其成为胚胎发育中的“信号解码器”，并将时间和空间的异质信号输入转化为由细胞命运决定的分子指令。

这一发现澄清了原有心脏器官基础形成的微环境信号网络架构，揭示了PDZ作为跨胚层信号枢纽在器官发生中的普遍作用，弥补了哺乳动物心脏初期发育体系的理论空白。这一成就不仅为了解先天性心脏病的胚胎起源提供了新的视角，也为基于微环境调节的再生医疗策略(如类器官建设和疾病模型优化)提供了关键理论依据。