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脊椎动物的早期胚胎的基本形态发生和细胞分化的空间模式可以分为两大类：一类是非重复性模式，包括心脏、肾脏、四肢、尾巴等；一类是重复性模式，包括体节、羽毛等，其中体节是最能代表脊椎动物的分节特点的过渡性结构。
体节（Somite）是所有脊椎动物胚胎发育早期在准体节中胚层（presomiticmesoderm,PSM）内沿从头到尾的方向按固定时间间隔不断重复形成的上皮细胞团，随着胚胎的持续发育，这些体节逐渐分化成生骨区、生皮区、生肌区，继而形成骨骼、内皮、真皮、肌肉、肌腱和软骨等组织。
体节发生（Somitogenesis）是指体节形成的生物学过程（图1），在原肠胚后期，胚胎开始伸长，背部开始形成神经板，进一步形成神经沟和神经褶，最后形成神经管。神经管及其下面的脊索构成胚体背部中轴，胚体慢慢的形成圆柱形。在神经管的两侧，平行的分布着两条被称为准体节中胚层（PSM）的组织，随着胚胎的发育，PSM和神经管会沿胚胎尾部方向不断生长延长。与此同时，在胚胎的头部方向，两条PSM中的细胞会同时开始聚集成团，当这两个细胞团与PSM组织分离开来的时候，一对体节就形成了。当一对体节形成后，与之临近的PSM中的细胞又开始聚集成团，从而开始下一对体节的形成过程。如此周而复始，体节就这样一对接一对地按从头到尾的方向生成了。这一过程在时间和空间上都受到严格调控，从而保证体节以固定的时间间隔在正确的位置生成。如果体节发生过程受到干扰，形成的体节就会出现缺陷，从而导致身体发育异常，产生各种先天性疾病。
图1体节发生示意图（图片来源于维基百科词条：somite）
体节发生在时间上具有节律性，这种节律性被PSM中一个呈周期性振荡的分子振荡器所调控，即分节时钟（SegmentationClock）。在每一对体节的形成过程中这个分节时钟都会以固定时间从尾部开始扫过整个PMS，然后在头部位置调控体节的生成。因此，分节时钟在调节体节的周期性形成过程中起到十分重要的作用。在过去的40多年中，大量研究表明，分节时钟主要是由Notch，Wnt和成纤维细胞生长因子（FGF）通路的基因构成的，这些基因呈现一种周期性的振荡表达模式并且它们的振荡周期与体节发生的周期是一致的。
虽然，这个振荡器在多种模式生物中得到了很好的描述，但是在人类胚胎发育过程中是否存在着类似的分子时钟一直都是一个未知数。
年1月8日，美国哈佛医学院的OlivierPourquié教授研究团队在Nature上在线发表题为Invitrocharacterizationofthehumansegmentationclock的文章，利用体外培养的人源PSM细胞和小鼠PSM细胞，再现了分节时钟的振荡效应，通过单细胞测序揭示了小鼠和人PSM细胞在体外的发育轨迹及分子振荡特性，指出人PSM细胞的振荡周期是小鼠细胞的两倍，并且高度保守，也受FGF、WNT、Notch和YAP信号的调控，为理解人类发育生物学提供了里程碑式研究成果。
首先，本文的研究人员用激活素A和FGF诱导小鼠胚胎干细胞的外胚层发生，然后在含有WNT激动剂CHIRON（Chir）和BMP抑制剂LDN（LDN）的培养基（CL培养基）中培养，从而在体外再现小鼠近轴中胚层发育的早期阶段（图2左）。通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术，对体外培养的小鼠胚胎（ES）细胞和小鼠体内9.5天的胚胎细胞的转录组进行分析比对，结果表明从小鼠胚胎干细胞中提取的近轴中胚层细胞与其在体内的对应细胞之间存在广泛的转录相似性。进一步地，研究人员在小鼠ES细胞中构建了一个报告系统，将一个不稳定的黄色荧光蛋白变体Achilles敲入Hes7基因的3’端，以实现分节时钟振荡的二维可视化，继而成功地模拟了从体外小鼠ES细胞分化来的PSM细胞的分节时钟，振荡频率为2.5±0.4小时。
接着，类似的体外培养策略被用于模拟人类的分节时钟。研究人员先将人诱导多能干（iPS）细胞在CL培养基中分化，获得神经中胚层祖细胞或前原始条纹（图2右）。通过比较用scRNA-seq分析的个分化的人iPS细胞与体内和体外小鼠ES细胞的状态，结果表明，人iPS细胞在体外CL培养基中向PSM命运的分化，再现了与小鼠胚胎相似的发育序列，导致了躯干旁轴中胚层细胞的产生。随后构建的HES7-AchillesiPS细胞报告系统细胞系，成功的证实了一个周期约为5小时的人类分节时钟的存在（图3）。
图2分化的小鼠胚胎细胞（左）和人多能干细胞（右）
分节时钟振荡在体内的一个特性是其高度的局部同步性，本文的研究人员发现，这种振荡同步在体外培养的人源PSM细胞中得到了验证，但是小鼠PSM却没有，并且随着时间的推移，同步性逐渐减弱。进一步的实验发现，人源PSM细胞的分子振荡依赖于Notch信号通路。此外，与小鼠相似，人类分节时钟可以看作是一个可被激活的系统，其由Notch信号提供刺激，由YAP信号控制兴奋阈值。我们知道，在体内，PSM细胞的成熟是由FGF和WNT信号控制的，而本文的研究人员在体外评估了在成熟前下调FGF和WNT信号对分节时钟振荡的影响发现，除了控制PSM成熟外，FGF信号还可以调节振荡器的特性，不仅包括控制波前的振荡停滞，还包括调节周期性基因振荡的动力学（周期、相位和振幅）。
图3人PSM细胞分节时钟振荡频率
综上所述，本文的研究为人类分节时钟的存在提供了强有力的证据，证明了这个振荡器从鱼到人的高度保守性。同时证实了人类分节时钟的周期比小鼠的慢2倍左右，大约为5小时，这与已知的小鼠和人类胚胎在发育时间上的差异是一致的。此外，本文提供的培养条件，使得在一种特定的培养基中，细胞只接受两种化合物的处理即可产生出无限量的类人PSM细胞，这为研究分节时钟振荡的动力学特性、以及其在病理体节缺陷（如先天性脊柱侧凸）中的失调的作用提供了理想的研究系统，为人类发育生物学的进步提供了巨大的助推。
值得一提的是，在同期杂志上，东京大学的RyoichiroKageyama教授团队发表了文章Couplingdelaycontrolssynchronizedoscillationinthesegmentationclock，利用同样的HES7-Achilles报告系统在单细胞水平上观察了小鼠的PSM，同时集合Lfng小鼠模型证明了耦合延迟调控了分节时钟的同步振荡。
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