脊椎动物胚胎轴体的形成始于胚胎尾部的祖细胞群。其中，神经中胚层祖细胞（NMP）具有向外胚层分化为神经板及神经管的能力，同时也能向中胚层发育为脊索和轴旁中胚层（PXM）。PXM后来体发育为体节，体节又进一步分化为生骨节、生皮节和生肌节，最终形成脊椎结构。神经管、脊索和体节构成了躯干的主要组织。尤其是位于胚胎中线的脊索，作为轴体形成的标志性结构，为发育中的胚胎提供结构支持，并通过信号分子调控周围组织的发展。

尽管已有研究通过干细胞成功开发了模拟原肠胚和体节等结构的类器官，但最关键的脊索及其相关组织（如神经底板）的体外模型一直未能构建。直至2024年12月18日，英国的Francis Crick Institute团队在顶尖期刊《Nature》上发表了一项研究，首次通过WNT和FGF的激活以及延迟24小时后的TGFβ/BMP抑制，成功诱导了脊索类器官的建立。这一方法能够稳健构建由体节和周围神经组织包围的脊索细胞，并赋予生成的脊索类器官调控神经管及体节发育的能力。

在对鸡胚尾部区域进行单细胞RNA测序后的聚类分析中，发现4个体节至13个体节发育阶段，脊椎动物躯干形成的主要祖细胞群体为NMP和脊索祖细胞。其中，NMP细胞共同表达神经细胞标志物SOX2与中胚层标志物TBXT，而脊索祖细胞则以高水平的TBXT、FOXA2和SHH等为显著特征。这一鸡胚的检测结果与小鼠和猕猴的发现几乎一致，表明脊椎动物的躯干发育具有保守性。

为了探讨特定信号通路在躯干祖细胞特化过程中的功能，研究者构建了SOX2+TBXT+NMP的体外模型，并通过几何限制诱导了有序的基因表达和脊索细胞、神经细胞的分区排列。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的边缘。已有多项研究表明，FGF和WNT信号在中胚层发育及PXM命运中发挥重要作用。在本研究中，FGF通路下游的pERK1/2配体激活了克隆边缘的TBXT标记中胚层发展，但对克隆中心的SOX2标记神经细胞影响较小，且内源性FGF信号不足以驱动PXM的形成。WNT信号则通过激活NMP中的TBXT，促进中胚层的形成。

有趣的是，WNT与FGF共同促进pERK1/2的表达及脊索的形成，TBXT的表达亦依赖于FGF信号。因此，WNT和FGF之间的密切关系以及其共同刺激的效果，对于脊索的形成是至关重要的。

通过单细胞RNA测序，研究人员发现NMP细胞中BMP和NODAL抑制剂BAMBI的高表达。同时，脊索细胞中也存在BMP拮抗因子NOG和CHRD的高水平表达。跨物种转录组比较进一步揭示了BMP和NODAL抑制在脊索中的广泛存在，尤其是NODAL属于转化生长因子β（TGFβ）信号家族。这些发现提示TGFβ/BMP抑制在脊索发育中的必要性。研究团队还探究了TGFβ/BMP抑制的干预时间与细胞命运的关系，发现瞬时抑制会显著减少SOX2+TBXT+NMP数目，并导致细胞多个向TBXT+FOXA2+脊索细胞命运转变，而延迟的抑制则能够诱导内胚层和侧板中胚层的形成。

结合以上研究，团队采用人类胚胎干细胞，添加WNT和FGF进行共同刺激，24小时后进行TGFβ抑制，随后在施加视黄酸前体条件下继续培养4天，最终成功获得脊索类器官。这一模型内部细胞表达TBXT，标志其为脊索身份，外层细胞为SOX2+TBXT-，形态类似神经上皮。脊索类器官可以模拟胚胎尾部神经形成的阶段，为躯干组织的形成和发育研究提供了良好的实验平台。

研究还发现，形态发生素SHH在脊索类器官中的表达能够诱导神经管向腹部神经元分化。同时，多种侧腹细胞的基因表达与附近脊索样细胞相关，新生的PXM和脊索共同表达BMP拮抗剂NOG和CHRD，以保护和促进体节的形成和分化。单细胞RNA测序分析显示，脊髓类器官在体外发育过程中展现出生骨节命运的基因表达模式，再次证明了脊索类器官对周围组织命运的调控能力。

综上所述，研究表明WNT和FGF的刺激以及BMP和NODAL的抑制对产生和维持躯干祖细胞及后部身份至关重要。WNT和FGF信号能够诱导内源性NODAL和BMP的持续产生，从而促进内胚层和侧中胚层的分化。这一发现为理解脊椎动物的躯干发育机制提供了全新的见解。

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