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    Nature 背靠背:這三個課題組構建世界首例完整的人類胚胎模型

    來源:admin  瀏覽量:  更新時間:2021-03-18 13:44:52

           一直以來,我們對人類生命起源的探索從未停止,但是由于人類胚胎資源的限制,我們對胚胎細胞的增殖分化以及組織器官發育的了解非常局限。人類早期胚胎主要由上胚層 (epiblast, EPI)、原始內胚層 (primitive endoderm, PE) 及滋養外胚層 (trophectoderm, TE) 所組成。人類胚胎的發育(由胚胎多潛能干細胞分化成為成熟體細胞)過去一直被認為是單向不可逆的過程。然而,山中伸彌和約翰?格登的團隊分別通過「體細胞重編程技術(iPSC)」和「體細胞核移植技術 (SCNT)」證實終末分化的體細胞也能夠轉變為多潛能干細胞,從而徹底改變了人們對細胞和器官生長的理解?;诖顺删?,他兩人共享了 2012 年諾貝爾生理學或醫學獎。


           今日 Nature 背靠背發表來自 西南醫學中心吳軍課題組、 Gary Hon 課題組以及澳大利亞莫納什大學  Jose M. Polo 三個課題組的兩篇文章,分別從 不同來源的細胞構建了目前世界上最完整的人類胚胎模型,這必將給整個發育生物學、人類早期發育疾病、藥物篩選等領域起到變革性的推動。



    圖片來源:Nature


    人多能干細胞來源的胚胎模型


           北京時間 2021 年 3 月 18 日凌晨,美國德州大學西南醫學中心吳軍課題組 Nature 雜志在線發表論文,成功用人多能性干細胞(Pluripotent stem cells)分化誘導出人類早期胚胎樣結構(命名為 Blastoid)。該結構與人囊胚期胚胎(Blastocyst)具有類似的結構,正確地表達相應的基因與蛋白,并且可以在體外發育 2-4 天,形成類羊膜囊等結構。西南醫學中心的吳軍博士和 Gary Hon 博士為該文章的共同通訊作者,于樂謙博士(西南醫學中心)、魏育蕾博士(西南醫學中心,五邑大學)、段佳磊博士(西南醫學中心)為共同第一作者。


    圖片來源:Nature

           生命由受精卵發育而來,在發育過程中受精卵經過無數次的分裂和分化,最終形成生命個體。胚胎發育也被劃分為不同的時期,其中囊胚期是胚胎著床前的最后一個時期,此后胚胎將附著于母體子宮壁上進行后續的發育。處于囊胚期的胚胎由三種細胞組成:上胚層細胞、原始內胚層細胞、以及滋養層細胞。其中上胚層細胞會發育成成體的各種組織,而原始內胚層細胞和滋養層細胞則發育成胚胎外組織(如胎盤等)連接母體并為胚胎發育提供支持。

     

           2018 年,科學家利用體外培養的小鼠胚胎干細胞以及滋養層干細胞,首次構建出了人造鼠胚胎,結果發表于 Nature 雜志。與小鼠不同,此次研究發現人原始多能性干細胞(naive pluripotent stem cells)在不同信號通路的組合作用下,能夠同時分化出三種組成囊胚期胚胎的細胞。 利用該特性,科學家們最終成功構建出了人類胚胎樣結構。這種原始多能性干細胞是一種能夠在體外穩定培養并保存的細胞系,可通過重編程技術由成體細胞(如皮膚組織等)獲得,或是通過從胚胎中分離培養而獲得。


    左圖,人類囊胚期胚胎。右圖,人造人類胚胎樣結構。

          

           研究者使用了一種 3D 培養系統,通過對不同細胞信號通路的調控,令 20~30 個人類原始多能性干細胞進行分化及自我組裝,可在約 7~9 天的時間內成功構建出囊胚樣結構。其在形態上(直徑,細胞數等),以及各種關鍵蛋白的表達水平上皆與真正的人類囊胚極為相似。 通過單細胞 RNA 測序技術對其進行分析,并和囊胚期人類胚胎數據進行比較,結果發現在人類胚胎樣結構中,有部分細胞和人類囊胚期胚胎中相應細胞在轉錄組水平高度一致。



    關鍵蛋白在人類囊胚期胚胎(左)、及人造人類胚胎樣結構(右)中的表達水平。

           人工胚胎的構建對于人類早期胚胎發育的研究具有重大意義。先前對胚胎發育的研究集中于小鼠,但是科學家們越來越意識到,小鼠的發育與人類雖然相似,但還是有一定區別。因此,找到合適的替代材料去研究人類胚胎發育是非常重要的。由于人類胚胎材料本身的稀缺性以及國際社會對于人類胚胎研究的「14 天期限」,使得這一研究被橫向縱向雙重限制,難以發展。而人工胚胎很好地解決了這兩個問題。首先,人工胚胎可以大量產生類囊胚結構,用于批量研究;其次,人工胚胎由于跟正常受精產生的胚胎不同,是一種結構,更容易獲得倫理方面的批準,支持其獲得超越「14 天期限」研究。

     

           通過深入研究胚胎的早期發育,我們將更加了解一些人類早期重大疾病造成的流產、畸形兒、女性受孕障礙等,并尋找可行的解決方案。此外,人造胚胎還可以建立藥物篩選模型,通過篩選對早期胚胎發育致畸的藥物,為進入臨床應用的孕婦藥品提供安全性模擬檢測。



    圖片來源:Nature

           需要強調的是,雖然人造胚胎樣結構中部分細胞與真正的胚胎細胞極為相似,但是大部分細胞仍然與胚胎細胞存在很大的差別,所以并不太可能進一步發育成為一個健康的胎兒」。

     

           論文第一作者于樂謙博士指出:「胚胎樣結構的合成全程都在體外培養皿中完成,這與真正的母體內環境千差萬別,所以其并不是真正的胚胎,但是胚胎樣結構的確在某些方面具有與人類胚胎相似的特性。通過對胚胎樣結構的研究,后續能為我們了解早期人類胚胎發育過程、以及早期發育相關疾病提供重要的線索。

     

           課題負責人吳軍博士指出:「我們走出了人類早期人工胚胎的第一步,但對其深入了解以及探尋還有許多未完成的部分,其功能性與真正的生命體依舊有很大差別,比如是否可以正常發育到后期。完善這個結構,以及通過該結構對人類早期生命進程進行研究,可以使我們更加了解生命發展的過程,也能夠更好地對相應的疾病做出應對。


    成纖維細胞誘導的人類胚胎模型,甚至可以模擬著床


           2021 年 3 月 17 日,澳大利亞莫納什大學(Monash University)Jose Polo 團隊(共同一作為劉曉東博士,陳家斌博士研究生)在 Nature 雜志上發表了題為 Modelling human blastocysts by reprogramming fibroblasts into iBlastoids 的封面文章, 團隊通過體細胞重編程的技術構建了全球首例人類胚胎樣結構,一定程度上模擬了人類胚胎的整體構造及發育過程。




     圖片來源:Nature

           該工作基于此前劉曉東等發表于 2020 年 9 月的 Nature 文章,利用單細胞轉錄組學以及表觀組學對體細胞重編程的機制研究,在體細胞重編程過程中(到上胚層 EPI, iPSC),團隊發現了具備原始內胚層 (PE) 及滋養外胚層 (TE) 轉錄特征細胞的存在。為了研究這些細胞在重編程過程當中的互相影響,團隊將重編程中間產物放入三維培養系統讓這些不同細胞更好的交流,6 天之后意外的發現了空心的球體結構。


           為了驗證這些結構的類型,團隊首先利用免疫組織化學染色分析了幾個關鍵標記,發現這些結構由一層外圍細胞包圍著表達 NANOG 轉錄因子的內部細胞團,并形成類似囊胚腔的空間(下圖 c)。此外, 這些結構的外圍細胞具有 TE 特征性標記(如 CDX2、GATA2 和 KRT8)的表達,而內部細胞團則表達 EPI 的特征性標記 (如 NANOG、OCT4 和 SOX2),該結果進一步確認了 TE 和 EPI 樣細胞的存在。通過進一步分析,該團隊還在這些結構的內部細胞團里發現了部分表達 PE 特征性標記 (如 GATA6 和 SOX17) 的細胞 (下圖 h-m)。除此之外,這些結構也能夠很好地模擬真正人類胚胎中 TE 和 EPI 之間細胞形態的區別 (下圖 n)。


           由于這些結構是通過體細胞重編程的方法創建的,團隊將它們命名為誘導胚胎樣結構 (induced blastoids, iBlastoids)。進一步,該團隊還在分子和功能層面驗證了這種誘導胚胎樣結構是否具有人類胚胎結構的特點。


    體細胞重編程為誘導人類胚胎樣結構(iBlastoids)


           進一步,團隊利用單細胞轉錄組學技術對 iBlastoids 進行了更深一層的轉錄組剖析,并與人類胚胎的單細胞轉錄組數據進行了比較。分析結果確認了 iBlastoids 具有類似人 EPI、TE 和 PE 轉錄特征的細胞,但同時也出現了一些人類胚胎里不存在的中間細胞類群 (下圖 d-e)。此外,團隊也證明 iBlastoids 的 TE 細胞與真正人類胚胎相似,能夠被細分為 mural 和 polar TE 兩個細胞亞群 (下圖 f-g)?;诖?,團隊得出結論:iBlastoids 在單細胞層面具有和人類胚胎相似的細胞組成。



     iBlastoids 單細胞轉錄組測序分析

           在功能驗證方面,團隊成功的從 iBlastoids 分離出原始態多潛能干細胞 (Naive bPSCs)、始發態多潛能干細胞 (Primed bPSCs) 和滋養層干細胞 (bTSCs)(下圖 a-g),而且通過一系列的實驗證明了這些干細胞可以被無限擴增,并且具備多潛能性 (比如 iPSC 具備分化到各類人類細胞的能力)。



    iBlastoids 分離出 naive bPSCs, primed bPSCs 和 bTSCs

     

           為了進一步驗證 iBlastoids 具有模擬發育過程的功能,團隊下一步采用模擬人類胚胎著床過程的體外檢測方法 (in vitro attachment assay)(下圖 a)。在模擬著床的過程中,iBlastoids 展示了各種與人類胚胎相似的現象,即上胚層細胞的增殖、初期羊膜腔的形成、滋養層細胞的分化及人絨毛膜促性腺激素 (hCG) 的分泌 (下圖 b-i)。以上結果均證實了 iBlastoids 能夠模擬人類胚胎著床的過程,這將具有極大的應用前景。



     iBlastoids 模擬人類胚胎著床過程

     

           綜上,該團隊在研究體細胞重編程機制的過程中意外發現了成熟體細胞可以被重編程為誘導人類胚胎樣結構 (iBlastoids),該模型一定程度上模擬了人類胚胎的整體構造及發育過程。團隊也強調, iBlastoids 僅僅是人類胚胎的模型,并不應該被視為真正的胚胎。由于 iBlastoids 是通過體細胞重編程的方法創建,不需要用到任何人類胚胎細胞作為起始點,該團隊相信 iBlastoids 將會是一個更容易被接納的人類胚胎樣結構。


           





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