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Reconstituting human somitogenesis in vitro

体细胞发生 体节 近轴中胚层 生物 维甲酸 Wnt信号通路 Hox基因 诱导多能干细胞 中胚层 细胞生物学 遗传学 胚胎干细胞 胚胎 信号转导 细胞培养 基因 胚胎发生 转录因子
作者
Yoshihiro Yamanaka,Sofiane Hamidi,Kumiko Yoshioka-Kobayashi,Sirajam Munira,Kazunori Sunadome,Yi Zhang,Yuzuru Kurokawa,Rolf Ericsson,Ai Mieda,Jamie Thompson,Janet Kerwin,Steven Lisgo,Takuya Yamamoto,Naomi Moris,Alfonso Martínez-Arias,Taro Tsujimura,Cantas Alev
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:614 (7948): 509-520 被引量:118
标识
DOI:10.1038/s41586-022-05649-2
摘要

The segmented body plan of vertebrates is established during somitogenesis, a well-studied process in model organisms; however, the details of this process in humans remain largely unknown owing to ethical and technical limitations. Despite recent advances with pluripotent stem cell-based approaches1–5, models that robustly recapitulate human somitogenesis in both space and time remain scarce. Here we introduce a pluripotent stem cell-derived mesoderm-based 3D model of human segmentation and somitogenesis—which we termed ‘axioloid’—that captures accurately the oscillatory dynamics of the segmentation clock and the morphological and molecular characteristics of sequential somite formation in vitro. Axioloids show proper rostrocaudal patterning of forming segments and robust anterior–posterior FGF–WNT signalling gradients and retinoic acid signalling components. We identify an unexpected critical role of retinoic acid signalling in the stabilization of forming segments, indicating distinct, but also synergistic effects of retinoic acid and extracellular matrix on the formation and epithelialization of somites. Comparative analysis demonstrates marked similarities of axioloids to the human embryo, further validated by the presence of a Hox code in axioloids. Finally, we demonstrate the utility of axioloids for studying the pathogenesis of human congenital spine diseases using induced pluripotent stem cells with mutations in HES7 and MESP2. Our results indicate that axioloids represent a promising platform for the study of axial development and disease in humans. A 3D model of human segmentation and somitogenesis derived from induced pluripotent stem cells captures the oscillatory dynamics of the segmentation clock as well as morphological and molecular features of the developing embryonic axis and tail.
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