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重构人类体细胞发生在体外

我们提供了这篇手稿的未经编辑的版本,以便早期访问其发现。在最终出版之前,手稿将进行进一步的编辑。请注意,可能存在影响内容的错误,所有法律免责声明均适用。

摘要

脊椎动物的分段体平面是在生长发育过程中建立的,这是一个在模式生物中被充分研究的过程,但由于伦理和技术的限制,在人类中仍然很大程度上难以捉摸。尽管基于多能干细胞(PSC)的方法最近取得了进展1 - 5在美国,能够在空间和时间上有力地概括人类体细胞发生的模型在很大程度上仍然缺失。在这里,我们介绍了一个基于psc衍生的基于中胚层的人类分割和体细胞发生的3D模型,我们称之为“axioloid”,该模型准确地捕捉了分割时钟的振荡动力学以及连续体细胞形成的形态和分子特征在体外.Axioloids显示出正确的喙部形成片段的模式和稳健的前后FGF/WNT信号梯度和维甲酸(RA)信号成分。我们发现了RA信号在稳定形成片段中的一个意外的关键作用,表明RA和细胞外基质(ECM)对体细胞的形成和上皮化具有独特的协同作用。重要的是,比较分析显示了轴样体与人类胚胎的惊人相似性,进一步证实了轴样体中存在HOX代码。最后,我们通过使用具有突变的患者样iPSCs,证明了axioloids用于研究人类先天性脊柱疾病的发病机制HES7而且MESP2.这些结果表明,轴类生物是研究人类轴向发育和疾病的一个有前途的新平台。

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补充信息

此文件包含补充讨论、补充表格图例、补充视频图例和带有图例的补充图表。

报告总结

补充表1

在已识别的scRNA-seq数据簇中表达的基因。

补充表2

NMP和NE模块评分基因。用于计算扩展数据图3g模块得分的神经中胚层祖细胞(NMP)和神经外胚层(NE)相关基因列表。

补充表3

本研究中使用的重组蛋白、小分子、试剂和耗材/设备。所使用的重组蛋白和小分子(3.1)、信号通路调节剂(3.2)、试剂(3.3)和耗材/设备(3.4)清单。

补充表4

本研究中使用的抗体。免疫组化用一抗(4.1),免疫组化用二抗(4.2),CUT&Tag库制备用一抗(4.3),CUT&Tag库制备用二抗(4.4)。

补充表5

用于HCR的探针列表。用于基于hcr的全植入原位杂交分析人腋样样本的探针列表。

补充表6

用于HybISS分析的探针序列列表。用于基于hybis的人类假体样本空间转录组分析的探针序列列表。

补充表7

用于切割和标记实验的引物清单。用于基于cut&tag的人类axioid分析的已使用引物列表。

补充数据

此文件包含补充图1-5的源数据。

补充视频1

对称破缺和轴突初始伸长。409B2(上)和201B7 Luc(下)在培养24 - 72h时的假体活体成像。所显示的数据至少代表了三个独立的实验。比例尺为200µm。

补充视频2

基质凝胶对轴样形态的影响。来自409B2(上)和201B7 Luc(下)的假体活体成像,在培养72h至120h期间,+MG(右)或不含-MG(左)嵌入到Matrigel (MG)中。所显示的数据至少代表了三个独立的实验。比例尺为200µm。

补充视频3

HES7MG包埋axioid的基因表达动态。实时成像的时空形态发生表达HES7在培养72h至120h的MG中嵌入201B7 luc衍生的axioloid。BF视频(左)和HES7:荧光素酶信号(右)。所显示的数据至少代表了三个独立的实验。比例尺为200µm。

补充视频4

视黄醇信号通路对轴突生长和形态的影响。来自409B2(上面板)和201B7 Luc(下面板)的轴样细胞的实时成像,在培养72 - 120小时后,仅嵌入MG(左)或添加视黄醇(ROL)、视网膜(RAL)或视黄酸(RA)的MG(右)。所显示的数据至少代表了三个独立的实验。比例尺为200µm。

补充视频5

视黄醇治疗腋突的三维重建。培养120h时,3D重建409b2衍生的axiolids,分别嵌入MG(左上)或添加视黄醇(ROL)(左下)、视网膜(RAL)(右下)或视黄酸(RA)(右上),灰色为F-actin (Phalloidin),蓝色为TBXT (BRA),绿色为纤维连接蛋白(FN1),红色为MEOX1。

补充视频6

RA通路抑制对轴突生长和形态的影响。201B7 Luc衍生的axiolids经+MG +RAL(从左到右)辅助DMSO、BMS493、AGN193109或ER50891培养72h至120h后的活体成像。所显示的数据至少代表了三个独立的实验。比例尺为200µm。

补充视频7

RA途径抑制剂治疗的轴突三维可视化。3D重建201B7 Luc衍生的假体,在+MG +RAL(左上)或+MG +RAL中添加三种不同的RA抑制剂,包括BMS493(右上),AGN193109(左下)或ER50891(右下),在培养120h时,以F-actin (Phalloidin)为灰色,TBXT (BRA)为蓝色,纤维连接蛋白(FN1)为绿色,MEOX1为红色。

补充视频8

轴突中线和双侧体形成。图中可见嵌入+MG +RAL的409b2衍生的axioid的中线形成,以及嵌入+MG +ROL的409b2衍生的axioid的单个双侧体形成(下)。在培养72 - 120h时进行活体成像。比例尺为200µm。

补充视频9

人CS9-11胚胎和轴突体的三维重建。三维重建409b2来源的MG包埋轴状体(上)处理视黄醇(左)、视网膜(中)和视黄酸(RA)形成的体块;以及在CS9(左)、CS10(中)和CS11(右)人类胚胎中发现的人类胚胎体的3D重建(下)。每一个样体结构都用不同的颜色突出显示,这取决于它在前后轴上的位置。

补充视频10

ROL、RAL或RA对HES7基因表达动力学。实时成像的时空形态发生表达HES7在培养72h至120h期间,只嵌入MG(左上对)或在添加视黄醇(ROL)(左下对)、视网膜(RAL)(右下对)或视黄酸(RA)(右上对)的MG中。BF视频(左)和HES7:荧光素酶信号(右)为每个条件。所显示的数据至少代表了三个独立的实验。比例尺为200µm。

补充视频11

添加BMS493对HES7基因表达动力学。实时成像的时空形态发生表达HES7在培养72h至120h期间,将201B7 luc衍生的axioid基因嵌入在MG添加+RAL+DMSO(左对)或+RAL+BMS493(右对)的MG中。BF视频(左)和HES7:荧光素酶信号(右)为每个条件。所显示的数据至少代表了三个独立的实验。比例尺为200µm。

补充视频12

NOTCH、FGF和WNT通路抑制对轴类细胞的影响。201B7 Luc衍生的axiolids在培养72h - 120h后,嵌入+MG +RAL补充DMSO(左上)、DAPT(右上)、PD173074(左中)、PD0325901(右中)、XAV939(左下)或IWP2(右下)后的活体成像。所显示的数据至少代表了三个独立的实验。比例尺为200µm。

补充视频13

的影响HES7KO基因对轴突生长和形态的影响。上面板,来自201B7 Luc(左上)的+MG +RAL中嵌入的轴突的实时成像,HES7KO1(上中)和7个KO2细胞株(右上)。所显示的数据至少代表了三个独立的实验。比例尺为200µm。底部面板,三维重建的axioid嵌入+MG +RAL派生HES7KO1(中)和HES7KO2(下)用F-actin (Phalloidin)染色为灰色,TBXT (BRA)染色为蓝色,纤维连接蛋白(FN1)染色为绿色,MEOX1染色为红色。

补充视频14

的影响HES7基因KOHES7基因表达动力学。实时成像的时空表达HES7Luc,(上一对)HES7KO1(中间对)和HES7KO2(下对)衍生的轴形嵌入+MG +RAL。BF视频(左)和HES7:荧光素酶信号(右)为每个条件。所显示的数据至少代表了三个独立的实验。比例尺为200µm。

补充视频15

的影响HES7点突变(rs113994160: c.73C>T;HES7R25W)的生长和形态。上面板,来自201B7 Luc(左上)的+MG +RAL中嵌入的轴突的实时成像,HES7R25WMT1(上中)和HES7R25WMT2细胞株(右上)。所显示的数据至少代表了三个独立的实验。比例尺为200µm。底部面板,三维重建的axioid嵌入+MG +RAL派生HES7R25WMT1(中)和HES7R25WMT2(下)用F-actin (Phalloidin)染色为灰色,TBXT (BRA)染色为蓝色,纤维连接蛋白(FN1)染色为绿色,MEOX1染色为红色。

补充视频16

的影响HES7点突变(rs113994160: c.73C>T;HES7R25W)HES7基因表达动力学。实时成像的时空表达HES7Luc,(上一对)HES7R25WMT1(中间对)和HES7R25WMT2(下对)衍生的axioloids。BF视频(左)和HES7:荧光素酶信号(右)为每个条件。所显示的数据至少代表了三个独立的实验。比例尺为200µm。

补充视频17

的影响MESP2KO基因对轴突生长和形态的影响。上面板,来自201B7 Luc(左上)的+MG +RAL中嵌入的轴突的实时成像,MESP2KO1(上中)和MESP2KO2细胞株(右上)。所显示的数据至少代表了三个独立的实验。比例尺为200µm。底部面板,三维重建的axioid嵌入+MG +RAL派生MESP2KO1(中)和MESP2KO2(下)用F-actin (Phalloidin)染色为灰色,TBXT (BRA)染色为蓝色,纤维连接蛋白(FN1)染色为绿色,MEOX1染色为红色。

补充视频18

的影响MESP2基因KOHES7基因表达动力学。实时成像的时空表达HES7基因在201B7 Luc(上一对),MESP2KO1(中间对)和MESP2KO2(下对)衍生的轴形嵌入+MG +RAL。BF视频(左)和HES7:荧光素酶信号(右)为每个条件。所显示的数据至少代表了三个独立的实验。比例尺为200µm。

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山中,Y, Hamidi, S, Yoshioka-Kobayashi, K。et al。重构人类体细胞发生在体外自然(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05649-2

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