最近在《自然》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究向我們展示了人類著床后發(fā)育的新模型，這一階段一直以來都很難研究。該研究由耶魯大學(xué)發(fā)育干細(xì)胞生物學(xué)助理教授Berna Sozen博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)完成。Sozen博士在懷孕的最初幾周里對(duì)自己體內(nèi)正在進(jìn)行的人類發(fā)育過程產(chǎn)生了濃厚的興趣，尤其是因?yàn)樗膶?shí)驗(yàn)室使用人類多能干細(xì)胞研究胚胎發(fā)生。幾個(gè)月后（距離預(yù)產(chǎn)期僅幾周），Sozen博士通過這一人類著床后發(fā)育模型為我們提供了一個(gè)全新的視角，該模型能夠模擬受精后9到14天的人類胚胎，并包括胚胎和一些額外的胚外組織。這些類似人類胚胎的結(jié)構(gòu)以獨(dú)特于人類的空間和時(shí)間組織模式生成，使研究人員能夠記錄各種復(fù)雜而相互關(guān)聯(lián)的細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變，以及它們?cè)谒茉煸缙谌祟惻咛ミ^程中的作用。

這項(xiàng)研究的主要作者、Sozen實(shí)驗(yàn)室的研究生Monique Pedroza表示：“我們的模型平臺(tái)捕捉到了人類發(fā)育中我們了解最少的一個(gè)特定階段。這個(gè)階段是未來人體的祖細(xì)胞形成和建立身體軸線的時(shí)期，也是大多數(shù)妊娠原因不明的失敗發(fā)生的階段。到目前為止，在這個(gè)階段控制胚胎發(fā)育的基本分子機(jī)制對(duì)于基礎(chǔ)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究都具有巨大重要性?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)的成果文章在2023年5月30日被原則接受，并于6月21日正式接受發(fā)表，這是在2022年7月7日Sozen博士懷孕之前提交的。文章的加快發(fā)表是因?yàn)榻鼉芍芮坝幸徊ㄑ芯繄F(tuán)隊(duì)宣布了實(shí)驗(yàn)室模型的早期人類胚胎的研究進(jìn)展。這一波研究的浪潮始于2023年6月14日上午，在國(guó)際干細(xì)胞研究學(xué)會(huì)（ISSCR）會(huì)議上，發(fā)育生物學(xué)家Magdalena Zernicka-Goetz簡(jiǎn)要介紹了她團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果。隨后，接下來的兩天，幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布了使用不同類型的人類干細(xì)胞（有些經(jīng)過基因修飾）創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)室中的著床后胚胎模型的預(yù)印本。其中，Zernicka-Goetz團(tuán)隊(duì)的預(yù)印本于2023年6月15日發(fā)布，他們利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)誘導(dǎo)了一種干細(xì)胞衍生的人類胚胎模型。同一天，匹茲堡大學(xué)的研究人員展示了他們使用“工程合成基因電路”來產(chǎn)生早期人類胚胎的方法。隨后，2023年6月16日，中國(guó)昆明科技大學(xué)和以色列魏茨曼科學(xué)研究所的Jacob Hanna團(tuán)隊(duì)發(fā)布了兩個(gè)預(yù)印本，報(bào)告了不使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)創(chuàng)建人工胚胎的方法。

Sozen博士說：“所有干細(xì)胞平臺(tái)在策略和方法上各不相同。我們的系統(tǒng)獨(dú)特之處在于它是一個(gè)還原主義的、從單一干細(xì)胞類型開始的強(qiáng)大平臺(tái)。我們的系統(tǒng)以及現(xiàn)有和新興的基于人類干細(xì)胞的系統(tǒng)都有一個(gè)共同的目標(biāo)，那就是推動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展，更好地理解早期人類發(fā)育?！?/p>

之后，Sozen團(tuán)隊(duì)展示了通過誘導(dǎo)成形的方式，將人類多能干細(xì)胞觸發(fā)自組織成3D胚外結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)模擬了著床后胚胎中發(fā)生的早期人類發(fā)育事件。研究人員報(bào)道說，這些人工早期胚胎經(jīng)歷了一系列事件，包括在某一軸線上失去對(duì)稱性以建立極性，也被稱為破缺對(duì)稱性的事件。這些胚外結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出胚胎外胚層和胚外生發(fā)層樣細(xì)胞系的自發(fā)分化和共同發(fā)育，以及關(guān)鍵信號(hào)傳導(dǎo)中心的建立。這些人工早期胚胎模型可以通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)確認(rèn)人類多能干細(xì)胞在不形成胎盤細(xì)胞類型的情況下可以分化為胚胎發(fā)生過程中的細(xì)胞狀態(tài)。這些胚外結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄組學(xué)特征與人類和非人靈長(zhǎng)類胚胎的特征具有顯著的重疊。研究人員發(fā)現(xiàn)了著床后胚胎、羊膜外胚層、原始條帶、中胚層、早期胚外內(nèi)胚層和早期囊胚誘導(dǎo)等的轉(zhuǎn)錄組學(xué)特征。

然而，這些胚外結(jié)構(gòu)的表觀遺傳景觀與多能干細(xì)胞的狀態(tài)并沒有顯著差異。Sozen博士表示，胚外結(jié)構(gòu)細(xì)胞似乎無法捕捉到在著床期間發(fā)生的動(dòng)態(tài)表觀遺傳事件，這可能是未來需要改進(jìn)的方向之一。

這個(gè)新平臺(tái)展示了在考慮到基因表達(dá)和空間模式等關(guān)鍵因素的情況下，探索尚未研究過的人類發(fā)育階段的新可能性。耶魯大學(xué)團(tuán)隊(duì)揭示了胚外和胚胎細(xì)胞系在協(xié)調(diào)早期人類發(fā)育中的以往未知的相互作用。這種情況發(fā)生在沒有著床所需的滋養(yǎng)層細(xì)胞類型的情況下。

該系統(tǒng)為研究人類發(fā)育的基本細(xì)胞和分子機(jī)制提供了可重復(fù)、可追蹤和可擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括通過高通量研究先天病理的新方法。

Pedroza表示：“我們的系統(tǒng)具有重要意義，因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)平臺(tái)，可以解剖我們物種發(fā)展的不可達(dá)階段中早期命運(yùn)決定的機(jī)制，從而為理解發(fā)育障礙的起源提供機(jī)會(huì)?！?/p>

這項(xiàng)研究為我們?cè)谠缙谌祟惏l(fā)育中尚未研究的階段提供了新的可能性，從基因表達(dá)到空間模式等多個(gè)關(guān)鍵因素。耶魯大學(xué)團(tuán)隊(duì)揭示了胚外和胚胎細(xì)胞系在協(xié)調(diào)早期人類發(fā)育中的以往未知的相互作用，而無需子宮內(nèi)滋養(yǎng)層細(xì)胞類型的參與。

這一系統(tǒng)為我們理解人類發(fā)育的基本細(xì)胞和分子機(jī)制提供了可重復(fù)、可追蹤和可擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也為研究先天病理提供了新的高通量方法。

編輯：王洪

排版：李麗