早期小鼠面部发育中的位置程序及其在人类面部形状变异中的作用

《Nature Communications》：Positional programs in early murine facial development and their role in human facial shape variability

　　本研究通过单细胞RNA测序技术重构小鼠面部发育轨迹，揭示了面部间充质细胞在胚胎早期的分子异质性主要由位置程序驱动，并整合人类全基因组关联分析，将面部形状相关的遗传变异定位至特定细胞群体，为理解人类面部多样性与先天性面部综合征提供了发育生物学框架。

　　

面部是脊椎动物中最具形态多样性的复杂结构之一，在人类中，面部形状的差异不仅是个体身份识别的关键，也反映了遗传与发育过程的精细调控。尽管从颅神经嵴细胞（Cranial Neural Crest Cells, CNCCs）迁移到面部突起融合的发育过程在物种间高度保守，但其分子和细胞机制尚未完全阐明。尤其令人困惑的是，人类面部特征的局部差异（如鼻形、唇形）为何能够独立遗传，以及这些变异如何与发育程序关联。传统研究多聚焦于外胚层和大脑的信号作用，而面部间充质作为面部骨骼的直接构建者，其在形状调控中的角色仍待深入探索。

为解决上述问题，Andrea P. Murillo-Rincon等研究团队在《Nature Communications》发表了题为“Positional programs in early murine facial development and their role in human facial shape variability”的研究。他们通过整合小鼠E8.5-E14.5胚胎的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据与人类全基因组关联研究（GWAS）数据，系统揭示了面部间充质细胞在发育早期通过位置特异性程序驱动面部形态蓝图的建立，并鉴定了与人类自然面部变异及先天性面部综合征相关的细胞群体和分子标签。

研究主要技术方法包括：

1. 1.
   对小鼠E10.5-E14.5胚胎上脸部进行显微解剖并开展10X Genomics平台单细胞RNA测序，与已发表的E8.5-E10.5数据集整合，获得58,973个细胞的高分辨率转录组数据；
2. 2.
   通过轨迹推断（Palantir）、RNA速率（scVelo）和细胞通信分析（CellChat）重构发育动态；
3. 3.
   利用全mount多重杂交链式反应（HCR）原位杂交验证细胞群体的空间定位；
4. 4.
   整合人类GWAS数据库（OpenTargets）及先天性面部异常基因集（DISGENET），通过AUCell富集分析关联遗传变异与特定细胞群体。

研究结果

1. 小鼠面部发育的细胞与分子轨迹

研究团队通过单细胞转录组分析发现，面部间充质在E8.5-E11.5阶段呈现高熵值和高增殖活性，细胞未定向分化，其分子异质性主要取决于在面部突起（如侧鼻突、中鼻突、上颌突）中的空间位置。

从E12.5开始，随着面部突起融合，细胞增殖减弱，间充质开始定向分化为软骨形成谱系、骨形成谱系、腭部、鼻腔周围间充质等7条发育轨迹。

2. 早期面部间充质的异质性由强位置程序驱动

通过高分辨率聚类和HCR空间验证，研究发现在面部突起形成前（E9.5），间充质已按位置分化为侧鼻突（Pax7⁺）、中鼻突（Alx3⁺）和上颌突（Dlx2⁺）区域。这些位置程序基因的表达模式预示了未来面部结构（如腭板、鼻中隔）的形成位置。

3. 细胞命运决定与分化塑造晚期间充质异质性

E12.5后，间充质细胞在保留早期位置标记的同时，开始表达细胞类型特异性基因（如软骨细胞的Sox9、成骨细胞的Runx2）。例如，前颌骨成骨细胞保留中鼻突标记Alx3，而上颌骨成骨细胞表达上颌突标记Meis2，表明位置信息持续影响分化后细胞的定位。

4. 面部发育轨迹中的细胞通信推断

CellChat分析显示，早期（E9.5-E11.5）分泌信号（如BMP、FGF）主要来源于外胚层群体（如鼻陷边缘），而晚期（E12.5后）信号中心转移至间充质群体（如鼻孔、人中区域），提示间充质在面部形态精细调控中发挥组织者作用。

5. 人类面部形状变异的细胞来源

通过整合人类GWAS数据，研究发现与正常面部形态变异相关的140个基因在小鼠面部间充质中显著富集，尤其在晚期发育阶段（E11.5-E12.5）的鼻孔、人中、唇部等真皮间充质群体中。例如，Casz1（与人类鼻孔宽度相关）在小鼠鼻孔间充质中特异性表达，Lrriq1（与人中宽度相关）在人间充质中高表达。相反，先天性面部异常相关基因在脑、外胚层和间充质中均有富集，提示严重发育紊乱涉及多组织互作。

结论与意义

该研究首次在单细胞水平系统揭示了面部间充质的位置程序是塑造面部形态蓝图的核心机制，其分两阶段调控面部发育：早期（E9.5-E11.5）由位置程序主导空间分区，晚期（E12.5后）在分化中保留位置记忆，从而实现局部遗传信息的表型映射。这一框架解释了人类面部特征独立遗传的发育基础，并将自然变异相关遗传位点锚定至特定细胞群体（如真皮间充质）。此外，研究发现的晚期间充质信号中心（如BMP/non-canonical WNT）为理解面部微调进化提供了新视角。

该研究构建的公开数据库（https://www.evolbio.mpg.de/murillo-seton2025）为面部发育的进化比较研究及先天性面部综合征的病因学分析提供了资源，同时确立了小鼠模型在解析人类复杂性状发育根源中的价值。