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Nature 背靠背:这三个课题组构建世界首例完整的人类胚胎模型

来源:admin  浏览量:  更新时间:2021-03-18 13:44:52

       一直以来,我们对人类生命起源的探索从未停止,但是由于人类胚胎资源的限制,我们对胚胎细胞的增殖分化以及组织器官发育的了解非常局限。人类早期胚胎主要由上胚层 (epiblast, EPI)、原始内胚层 (primitive endoderm, PE) 及滋养外胚层 (trophectoderm, TE) 所组成。人类胚胎的发育(由胚胎多潜能干细胞分化成为成熟体细胞)过去一直被认为是单向不可逆的过程然而,山中伸弥和约翰・格登的团队分别通过「体细胞重编程技术(iPSC)」和「体细胞核移植技术 (SCNT)」证实终末分化的体细胞也能够转变为多潜能干细胞,从而彻底改变了人们对细胞和器官生长的理解。基于此成就,他两人共享了 2012 年诺贝尔生理学或医学奖


       今日 Nature 背靠背发表来自 西南医学中心吴军课题组 Gary Hon 课题组以及澳大利亚莫纳什大学  Jose M. Polo 三个课题组的两篇文章,分别从 不同来源的细胞构建了目前世界上最完整的人类胚胎模型,这必将给整个发育生物学、人类早期发育疾病、药物筛选等领域起到变革性的推动。



图片来源:Nature


人多能干细胞来源的胚胎模型


       北京时间 2021 年 3 月 18 日凌晨,美国德州大学西南医学中心吴军课题组 Nature 杂志在线发表论文,成功用人多能性干细胞(Pluripotent stem cells)分化诱导出人类早期胚胎样结构(命名为 Blastoid)。该结构与人囊胚期胚胎(Blastocyst)具有类似的结构,正确地表达相应的基因与蛋白,并且可以在体外发育 2-4 天,形成类羊膜囊等结构。西南医学中心的吴军博士和 Gary Hon 博士为该文章的共同通讯作者于乐谦博士(西南医学中心)、魏育蕾博士(西南医学中心,五邑大学)、段佳磊博士(西南医学中心)为共同第一作者。


图片来源:Nature

       生命由受精卵发育而来,在发育过程中受精卵经过无数次的分裂和分化,最终形成生命个体。胚胎发育也被划分为不同的时期,其中囊胚期是胚胎着床前的最后一个时期,此后胚胎将附着于母体子宫壁上进行后续的发育。处于囊胚期的胚胎由三种细胞组成:上胚层细胞、原始内胚层细胞、以及滋养层细胞。其中上胚层细胞会发育成成体的各种组织,而原始内胚层细胞和滋养层细胞则发育成胚胎外组织(如胎盘等)连接母体并为胚胎发育提供支持。

 

       2018 年,科学家利用体外培养的小鼠胚胎干细胞以及滋养层干细胞,首次构建出了人造鼠胚胎,结果发表于 Nature 杂志。与小鼠不同,此次研究发现人原始多能性干细胞(naive pluripotent stem cells)在不同信号通路的组合作用下,能够同时分化出三种组成囊胚期胚胎的细胞。 利用该特性,科学家们最终成功构建出了人类胚胎样结构。这种原始多能性干细胞是一种能够在体外稳定培养并保存的细胞系,可通过重编程技术由成体细胞(如皮肤组织等)获得,或是通过从胚胎中分离培养而获得。


左图,人类囊胚期胚胎。右图,人造人类胚胎样结构。

      

       研究者使用了一种 3D 培养系统,通过对不同细胞信号通路的调控,令 20~30 个人类原始多能性干细胞进行分化及自我组装,可在约 7~9 天的时间内成功构建出囊胚样结构。其在形态上(直径,细胞数等),以及各种关键蛋白的表达水平上皆与真正的人类囊胚极为相似。 通过单细胞 RNA 测序技术对其进行分析,并和囊胚期人类胚胎数据进行比较,结果发现在人类胚胎样结构中,有部分细胞和人类囊胚期胚胎中相应细胞在转录组水平高度一致。



关键蛋白在人类囊胚期胚胎(左)、及人造人类胚胎样结构(右)中的表达水平。

       人工胚胎的构建对于人类早期胚胎发育的研究具有重大意义。先前对胚胎发育的研究集中于小鼠,但是科学家们越来越意识到,小鼠的发育与人类虽然相似,但还是有一定区别。因此,找到合适的替代材料去研究人类胚胎发育是非常重要的。由于人类胚胎材料本身的稀缺性以及国际社会对于人类胚胎研究的「14 天期限」,使得这一研究被横向纵向双重限制,难以发展。而人工胚胎很好地解决了这两个问题。首先,人工胚胎可以大量产生类囊胚结构,用于批量研究;其次,人工胚胎由于跟正常受精产生的胚胎不同,是一种结构,更容易获得伦理方面的批准,支持其获得超越「14 天期限」研究。

 

       通过深入研究胚胎的早期发育,我们将更加了解一些人类早期重大疾病造成的流产、畸形儿、女性受孕障碍等,并寻找可行的解决方案。此外,人造胚胎还可以建立药物筛选模型,通过筛选对早期胚胎发育致畸的药物,为进入临床应用的孕妇药品提供安全性模拟检测。



图片来源:Nature

       需要强调的是,虽然人造胚胎样结构中部分细胞与真正的胚胎细胞极为相似,但是大部分细胞仍然与胚胎细胞存在很大的差别,所以并不太可能进一步发育成为一个健康的胎儿」。

 

       论文第一作者于乐谦博士指出:「胚胎样结构的合成全程都在体外培养皿中完成,这与真正的母体内环境千差万别,所以其并不是真正的胚胎,但是胚胎样结构的确在某些方面具有与人类胚胎相似的特性。通过对胚胎样结构的研究,后续能为我们了解早期人类胚胎发育过程、以及早期发育相关疾病提供重要的线索。

 

       课题负责人吴军博士指出:「我们走出了人类早期人工胚胎的第一步,但对其深入了解以及探寻还有许多未完成的部分,其功能性与真正的生命体依旧有很大差别,比如是否可以正常发育到后期。完善这个结构,以及通过该结构对人类早期生命进程进行研究,可以使我们更加了解生命发展的过程,也能够更好地对相应的疾病做出应对。


成纤维细胞诱导的人类胚胎模型,甚至可以模拟着床


       2021 年 3 月 17 日,澳大利亚莫纳什大学(Monash University)Jose Polo 团队(共同一作为刘晓东博士,陈家斌博士研究生)在 Nature 杂志上发表了题为 Modelling human blastocysts by reprogramming fibroblasts into iBlastoids 的封面文章, 团队通过体细胞重编程的技术构建了全球首例人类胚胎样结构,一定程度上模拟了人类胚胎的整体构造及发育过程




 图片来源:Nature

       该工作基于此前刘晓东等发表于 2020 年 9 月的 Nature 文章,利用单细胞转录组学以及表观组学对体细胞重编程的机制研究,在体细胞重编程过程中(到上胚层 EPI, iPSC),团队发现了具备原始内胚层 (PE) 及滋养外胚层 (TE) 转录特征细胞的存在为了研究这些细胞在重编程过程当中的互相影响,团队将重编程中间产物放入三维培养系统让这些不同细胞更好的交流,6 天之后意外的发现了空心的球体结构


       为了验证这些结构的类型,团队首先利用免疫组织化学染色分析了几个关键标记,发现这些结构由一层外围细胞包围着表达 NANOG 转录因子的内部细胞团,并形成类似囊胚腔的空间(下图 c)。此外, 这些结构的外围细胞具有 TE 特征性标记(如 CDX2、GATA2 和 KRT8)的表达,而内部细胞团则表达 EPI 的特征性标记 (如 NANOG、OCT4 和 SOX2),该结果进一步确认了 TE 和 EPI 样细胞的存在。通过进一步分析,该团队还在这些结构的内部细胞团里发现了部分表达 PE 特征性标记 (如 GATA6 和 SOX17) 的细胞 (下图 h-m)。除此之外,这些结构也能够很好地模拟真正人类胚胎中 TE 和 EPI 之间细胞形态的区别 (下图 n)。


       由于这些结构是通过体细胞重编程的方法创建的,团队将它们命名为诱导胚胎样结构 (induced blastoids, iBlastoids)。进一步,该团队还在分子和功能层面验证了这种诱导胚胎样结构是否具有人类胚胎结构的特点。


体细胞重编程为诱导人类胚胎样结构(iBlastoids)


       进一步,团队利用单细胞转录组学技术对 iBlastoids 进行了更深一层的转录组剖析,并与人类胚胎的单细胞转录组数据进行了比较。分析结果确认了 iBlastoids 具有类似人 EPI、TE 和 PE 转录特征的细胞,但同时也出现了一些人类胚胎里不存在的中间细胞类群 (下图 d-e)。此外,团队也证明 iBlastoids 的 TE 细胞与真正人类胚胎相似,能够被细分为 mural 和 polar TE 两个细胞亚群 (下图 f-g)。基于此,团队得出结论:iBlastoids 在单细胞层面具有和人类胚胎相似的细胞组成



 iBlastoids 单细胞转录组测序分析

       在功能验证方面,团队成功的从 iBlastoids 分离出原始态多潜能干细胞 (Naive bPSCs)、始发态多潜能干细胞 (Primed bPSCs) 和滋养层干细胞 (bTSCs)(下图 a-g),而且通过一系列的实验证明了这些干细胞可以被无限扩增,并且具备多潜能性 (比如 iPSC 具备分化到各类人类细胞的能力)。



iBlastoids 分离出 naive bPSCs, primed bPSCs 和 bTSCs

 

       为了进一步验证 iBlastoids 具有模拟发育过程的功能,团队下一步采用模拟人类胚胎着床过程的体外检测方法 (in vitro attachment assay)(下图 a)。在模拟着床的过程中,iBlastoids 展示了各种与人类胚胎相似的现象,即上胚层细胞的增殖、初期羊膜腔的形成、滋养层细胞的分化及人绒毛膜促性腺激素 (hCG) 的分泌 (下图 b-i)。以上结果均证实了 iBlastoids 能够模拟人类胚胎着床的过程,这将具有极大的应用前景



 iBlastoids 模拟人类胚胎着床过程

 

       综上,该团队在研究体细胞重编程机制的过程中意外发现了成熟体细胞可以被重编程为诱导人类胚胎样结构 (iBlastoids),该模型一定程度上模拟了人类胚胎的整体构造及发育过程。团队也强调, iBlastoids 仅仅是人类胚胎的模型,并不应该被视为真正的胚胎由于 iBlastoids 是通过体细胞重编程的方法创建,不需要用到任何人类胚胎细胞作为起始点,该团队相信 iBlastoids 将会是一个更容易被接纳的人类胚胎样结构。


       





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