在脊椎动物的胚胎发育过程中，脊椎动物胚胎轴体的形成始于胚胎尾部的祖细胞群体。神经中胚层祖细胞（NMP）具有向外胚层分化为神经板和神经管的能力，同时也能向中胚层发育成脊索与轴旁中胚层（PXM）。PXM随即发育成体节，这些体节进一步分化为生骨节、生皮节和生肌节，最终形成脊椎。神经管、脊索和体节是躯干组织的主要构成部分。特别是脊索，作为胚胎中线的重要结构，不仅为发育中的胚胎提供了支撑，还通过信号分子调控周围组织的发育。

尽管之前的研究中已通过干细胞开发了模拟原肠胚和体节等结构的类器官，但脊索及其相关组织，如神经底板的体外模型一直没有成功构建。直至2024年12月18日，英国Francis Crick Institute团队在《Nature》期刊上发表了一项研究，首次通过WNT和FGF的激活，结合延迟24小时后的TGFβ/BMP抑制，成功诱导了脊索类器官（notoroids）的形成。这一方法能够稳定构建包裹体节和神经周围组织的脊索细胞，且所产生的脊索类器官具备在体外调控神经管及体节发育的能力。

最新的单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析显示，在4至13体节的胚胎发育阶段，对脊椎动物躯干形成负责的主要祖细胞群体为NMP和脊索祖细胞。NMP共同表达神经细胞标志物SOX2和中胚层标志物TBXT，而脊索祖细胞则特征性地表达高水平的TBXT、FOXA2及SHH。这些结果与小鼠及猕猴的检测数据相一致，表明脊椎动物躯干发育的保守性。

为探究特定信号通路在躯干祖细胞特化中的作用，研究人员建立了SOX2+TBXT+NMP的体外模型，并通过几何限制诱导了基因表达的空间排序。其中SOX2高表达的类神经细胞位于克隆中心，而TBXT高表达的类中胚层细胞则位于克隆边缘。先前的多项研究确认FGF和WNT信号对中胚层发育及PXM命运的诱导作用。本文中，FGF通路下游的pERK1/2激活了克隆边缘标记的中胚层的发育，然而对克隆中心的神经细胞影响较小，表明内源性FGF信号不足以独立驱动PXM的形成。相对而言，WNT通过激活TBXT诱导NMP中中胚层的形成。

有趣的是，WNT信号与FGF信号的协同作用促进了pERK1/2的表达以及脊索的形成，而TBXT的表达也依赖于FGF信号的传导。总体而言，WNT和FGF的紧密关系表明其共同刺激对脊索的形成至关重要。

研究团队进一步发现，NMP群体中高表达BMP和NODAL抑制剂BAMBI，脊索细胞中也表达大量BMP拮抗因子NOG和CHRD。跨物种的转录组比较揭示，BMP和NODAL的抑制在脊索中广泛存在，而NODAL则属于转化生长因子β（TGFβ）信号家族。这一发现表明，TGFβ/BMP的抑制同样是脊索发育所必需的。通过调整TGFβ/BMP抑制介入的时间，不同的干预可以诱导出不同的细胞命运。

最终，在这一研究中，研究者利用人类胚胎干细胞，通过添加WNT和FGF的共同刺激，经过24小时再施加TGFβ的抑制，并在添加视黄酸前体的条件下继续培养4天，成功获得了脊索类器官（notoroids）。该模型的内部细胞表达TBXT，标志着脊索的身份，与外层细胞层明显不同，显示出SOX2+TBXT-的特点，展现出类似神经上皮的形态。这种脊索类器官能够模拟胚胎尾部神经形成阶段，为躯干组织的形成及发育研究提供了优良的实验平台。

SHH作为一种形态发生素，能够在高浓度时诱导腹部神经元的形成，而低浓度SHH则主要诱导运动神经元的生成。scRNA-seq结果揭示，脊索类器官产生的SHH诱导神经管向腹部神经元方向分化，此外，多种侧腹细胞类型的基因表达均与邻近脊索样细胞的存在密切相关。新生的PXM与脊索共表达BMP拮抗剂NOG和CHRD，从而促进体节的形成与分化。分析显示，脊髓类器官在体外发育过程中展现出与生骨节相似的基因表达模式，进一步证明了脊索类器官对周围组织命运的调控能力。

研究发现，WNT和FGF的刺激，以及BMP和NODAL的抑制，对躯干祖细胞和后部身份的产生与维持至关重要。事实上，WNT和FGF信号可诱导内源性NODAL和BMP的持续生成，促进内胚层和侧中胚层的分化，这可能是此前使用CHIR和FGF产生的3D类原肠胚方案中内胚层大量存在的原因之一。本研究通过信号级联反应扩展了当前早期人类发育的3D模型，并为脊索的体外研究提供了新的平台，为脊椎动物躯干发育机制提供了全新的见解与模型基础。

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