科学家创建单细胞数字胚胎破译心脏发育密码

近日，四川大学数学学院研究员刘伟与合作者通过创新性地构建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，系统解析了小鼠早期心脏等中、内胚层器官的动态发育图谱。相关成果发表于《细胞》。

刘伟利用统计学方法主导设计了两种重要分析工具：coFAST算法和INR-smooth平滑技术为研究突破提供了关键技术支撑。

自1924年Spemann与Mangold发现外胚层器官“组织中心”以来，科学家对胚胎发育的研究多集中于外胚层器官（如神经管）的形成机制，而心脏等中、内胚层器官的发育调控长期缺乏系统性解析。为解析器官原基的胚层起源机制这一核心科学问题，刘伟研究员与合作者聚焦胚胎细胞微环境的动态调控。

通过单细胞空间组学技术，本研究首次揭示了器官原基决定区（PDZ）作为跨胚层信号整合枢纽的核心功能：PDZ通过整合WNT、BMP与FGF等信号通路，将微环境信号转化为基因选择性表达指令，调控器官原基的形成。

机制研究表明，PDZ的信号整合能力依赖于其独特的分子组成——低内源性信号活性与高外源性信号响应性，这一特性使其成为胚胎发育中“信号解码器”，将时空异质性的信号输入转化为细胞命运决定的分子指令。

该发现阐明了心脏器官原基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适性作用，填补了哺乳动物心脏早期发育机制的理论空白。这一成果不仅为理解先天性心脏病的胚胎起源提供了新视角，也为基于微环境调控的再生医学策略（如类器官构建与疾病模型优化）提供了关键理论基础。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.05