科學家創建單細胞數字胚胎破譯心臟發育密碼

近日，四川大學數學學院研究員劉偉與合作者通過創新性地構建覆蓋小鼠原腸運動后期至心臟等器官原基形成期的單細胞精度三維數字胚胎，系統解析了小鼠早期心臟等中、內胚層器官的動態發育圖譜。相關成果發表于《細胞》。

劉偉利用統計學方法主導設計了兩種重要分析工具：coFAST算法和INR-smooth平滑技術為研究突破提供了關鍵技術支撐。

自1924年Spemann與Mangold發現外胚層器官“組織中心”以來，科學家對胚胎發育的研究多集中于外胚層器官（如神經管）的形成機制，而心臟等中、內胚層器官的發育調控長期缺乏系統性解析。為解析器官原基的胚層起源機制這一核心科學問題，劉偉研究員與合作者聚焦胚胎細胞微環境的動態調控。

通過單細胞空間組學技術，本研究首次揭示了器官原基決定區（PDZ）作為跨胚層信號整合樞紐的核心功能：PDZ通過整合WNT、BMP與FGF等信號通路，將微環境信號轉化為基因選擇性表達指令，調控器官原基的形成。

機制研究表明，PDZ的信號整合能力依賴于其獨特的分子組成——低內源性信號活性與高外源性信號響應性，這一特性使其成為胚胎發育中“信號解碼器”，將時空異質性的信號輸入轉化為細胞命運決定的分子指令。

該發現闡明了心臟器官原基形成的微環境信號網絡架構，揭示了PDZ作為跨胚層信號樞紐在器官發生中的普適性作用，填補了哺乳動物心臟早期發育機制的理論空白。這一成果不僅為理解先天性心臟病的胚胎起源提供了新視角，也為基于微環境調控的再生醫學策略（如類器官構建與疾病模型優化）提供了關鍵理論基礎。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.05