人类的手指和脚趾并不像你想象的那样向外生长。 取而代之的是，我们灵巧的手指被“雕刻”成一个更大的基部芽。
现在，关于肢体早期发育的第一份人体细胞图谱终于详细地揭示了这是如何发生的。
在此之前，我们对脊椎动物肢体发育的理解主要基于模式生物，如小鼠和鸡胚胎，以及实验室培养的干细胞。
尽管人类与其他脊椎动物有一些相似之处，但它们的生物学与我们明显不同。
早期肢体形成的细节也因技术限制而有些模糊，现在已经超过了这些限制，以及使用人类胚胎进行超过14天研究的限制，该限制已在严格的伦理法规下放宽。
迄今为止构建的图像显示，四肢最初是未形成的肢芽，从胚胎体的侧面突出。 八周后，如果一切按计划进行，这些袋子已经变成了解剖学上清晰可辨的四肢，包括手指和脚趾。
这是早期胚胎发育过程中的一个引人注目的过程，它产生了我们最具标志性的人类特征之一：我们纤细的逆向拇指。
2024年，科学家们描述了在胚胎发育的精确时刻表达的特定分子如何塑造手指和脚趾的形成，尽管这些都是基于对实验数据的模拟。
现在，由中国中山大学细胞生物学家张宝领导的一个国际团队通过分析来自捐赠胚胎组织的数千个单细胞，精心绘制了这一过程，这些单细胞已经发育了5到9周。
“我们从125955捕获的单个细胞中鉴定了67个不同的细胞簇，并在怀孕早期的四个时间点对它们进行了空间映射，以揭示肢体发育的新方面，”该团队在他们发表的新闻稿中写道。 通过这样做，我们发现了几种新的细胞状态。 ”
资深作者、中国中山大学细胞生物学家张洪波说：“我们揭示的是一个高度复杂且精确调控的过程。 这就像看着雕塑家在工作，从一块大理石上凿出一件杰作。 在这种情况下，大自然是雕塑家，其结果是我们的手指和脚趾的复杂性令人难以置信。 ”
研究人员绘制了基因表达模式，以了解这些遗传指令如何形成手指。
从模糊开始，对手指形成至关重要的基因 IRX1 和对骨骼发育至关重要的基因 SOX9 的表达在发育中的肢体中以五种不同的长度重叠。
在发育约 7 周时，程序性细胞死亡指令在未分化的细胞中开启，这些细胞聚集在这些长度之间并显示出轮廓分明的手指和脚趾。
就像一块大理石通过这些基因的表达被雕刻成杰作一样，我们的手指和脚趾从上到下被凿成，因为不需要的细胞被减少。
这一过程中的轻微异常会导致肢体畸形，每 500 人中就有一人天生患有肢体畸形——使其成为出生时最常见的综合征之一。
研究人员还绘制了与先天性疾病相关的基因表达图谱，例如短指（短指）或蹼指（并指），以更好地了解肢体发育偏离轨道的位置。
Wycomm Sanger研究所的资深作者和计算生物学家Sarah Teichmann说：“我们第一次能够在空间和时间上精确地捕捉到肢体发育的非凡过程，精确到单细胞分辨率。 ”
她说，创建单细胞图谱“加深了我们对解剖学复杂结构如何形成的理解，帮助我们揭示人类健康发育背后的遗传和细胞过程，并对研究和医疗保健具有许多意义。 ”
重要的是，研究人员还表明，人类和小鼠的肢体形成确实遵循相似的轨迹，在激活的基因和细胞类型方面存在一些差异。
该研究发表在《自然》杂志上。
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