最近在《自然》雜志上發(fā)表的一項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)育干細胞生物學(xué)助理教授Berna Sozen博士領(lǐng)導(dǎo)的團隊完成。Sozen博士在懷孕的最初幾周里對自己體內(nèi)正在進行的人類發(fā)育過程產(chǎn)生了濃厚的興趣，尤其是因為她的實驗室使用人類多能干細胞研究胚胎發(fā)生。幾個月后（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)以獨特于人類的空間和時間組織模式生成，使研究人員能夠記錄各種復(fù)雜而相互關(guān)聯(lián)的細胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變，以及它們在塑造早期人類胚胎過程中的作用。

這項研究的主要作者、Sozen實驗室的研究生Monique Pedroza表示：“我們的模型平臺捕捉到了人類發(fā)育中我們了解最少的一個特定階段。這個階段是未來人體的祖細胞形成和建立身體軸線的時期，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，在這個階段控制胚胎發(fā)育的基本分子機制對于基礎(chǔ)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究都具有巨大重要性?！?/p>

研究團隊的成果文章在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)表是因為近兩周前有一波研究團隊宣布了實驗室模型的早期人類胚胎的研究進展。這一波研究的浪潮始于2023年6月14日上午，在國際干細胞研究學(xué)會（ISSCR）會議上，發(fā)育生物學(xué)家Magdalena Zernicka-Goetz簡要介紹了她團隊的研究結(jié)果。隨后，接下來的兩天，幾個研究團隊發(fā)布了使用不同類型的人類干細胞（有些經(jīng)過基因修飾）創(chuàng)建實驗室中的著床后胚胎模型的預(yù)印本。其中，Zernicka-Goetz團隊的預(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，中國昆明科技大學(xué)和以色列魏茨曼科學(xué)研究所的Jacob Hanna團隊發(fā)布了兩個預(yù)印本，報告了不使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)創(chuàng)建人工胚胎的方法。

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

之后，Sozen團隊展示了通過誘導(dǎo)成形的方式，將人類多能干細胞觸發(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稱性以建立極性，也被稱為破缺對稱性的事件。這些胚外結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出胚胎外胚層和胚外生發(fā)層樣細胞系的自發(fā)分化和共同發(fā)育，以及關(guān)鍵信號傳導(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)確認人類多能干細胞在不形成胎盤細胞類型的情況下可以分化為胚胎發(fā)生過程中的細胞狀態(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胞的狀態(tài)并沒有顯著差異。Sozen博士表示，胚外結(jié)構(gòu)細胞似乎無法捕捉到在著床期間發(fā)生的動態(tài)表觀遺傳事件，這可能是未來需要改進的方向之一。

這個新平臺展示了在考慮到基因表達和空間模式等關(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)團隊揭示了胚外和胚胎細胞系在協(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)層細胞類型的情況下。

該系統(tǒng)為研究人類發(fā)育的基本細胞和分子機制提供了可重復(fù)、可追蹤和可擴展的實驗平臺，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，因為它提供了一個平臺，可以解剖我們物種發(fā)展的不可達階段中早期命運決定的機制，從而為理解發(fā)育障礙的起源提供機會?！?/p>

這項研究為我們在早期人類發(fā)育中尚未研究的階段提供了新的可能性，從基因表達到空間模式等多個關(guān)鍵因素。耶魯大學(xué)團隊揭示了胚外和胚胎細胞系在協(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)育的基本細胞和分子機制提供了可重復(fù)、可追蹤和可擴展的實驗平臺，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