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重磅!我院李天晴/季维智在Nature发表研究论文:绘制人原肠前胚胎的发育全景图谱

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12月12日,昆明理工大学灵长类转化研究院/云南中科灵长类生物医学重点实验室李天晴和季维智团队云南省第一人民医院生殖科合作,宣布开发出一个三维(3D)人囊胚培养体系,并且首次绘制了人原肠前胚胎的发育全景图,为研究人着床后的早期胚胎发育建立了重要的研究基础。相关研究成果当日以题为“A developmental landscape of 3D-cultured human pre-gastrulation embryos”在国际顶级杂志《自然》(Nature)上进行了发表.

李天晴教授

季维智院士

人类的发育始于受精卵通过一系列卵裂和形态发生重排形成的囊胚。晚期囊胚包含三个不同的细胞谱系:胚胎组织(上胚层细胞)和两个胚外组织(下(内)胚层细胞和滋养外胚层),在子宫着床后,上胚层细胞产生三胚层细胞以及其后的整个胎儿,而下胚层细胞和滋养外胚层分别产生卵黄囊和胎盘。人类胚胎发育到第7天,需要植入母亲的子宫中,才能继续存活和发育。临床上有大量的胚胎会在前两周出现无法着床或正常发育的现象。7天之后,胚胎在子宫中发生了什么变化,导致这些变化的关键细胞和分子事件是什么? 由于伦理和技术的限制,而长期处于“黑匣子”般的状态。阐明胚胎从着床开始的早期发育情况,一方面对于不孕症的干预、试管婴儿技术成功率的提升至关重要,另外一方面对促进人类干细胞、组织器官再生研究和应用提供重要的研究基础。

 

2016来自剑桥大学以及洛克菲勒大学的Zernicka-Goetz和Brivanlou两个团队取得了里程碑的突破(Science杂志将其评为2016年全球10大科技进展之首),他们在二维(2D)培养皿中成功将人囊胚(E5-E6)延迟培养到12-13天,这些2D培养的胚胎初步显示出体内胚胎发育的一些简单结构。在此体系基础上,汤富酬和乔杰课题组最近利用单细胞转录组和DNA甲基化图谱,解析了人类胚胎在此过程中的一些发育机制,扩展了对这个阶段的人胚胎发育的认识。但详述人类妊娠早期胚胎发育(包括空间自组织和细胞类型个体发育)的知识仍然受到可用的二维技术平台的限制,这些平台并没有概括体内条件。
人类的发育始于受精卵通过一系列卵裂和形态发生重排形成的囊胚。晚期囊胚包含三个不同的细胞谱系:胚胎组织(上胚层细胞)和两个胚外组织(下(内)胚层细胞和滋养外胚层),在子宫着床后,上胚层细胞产生三胚层细胞以及其后的整个胎儿,而下胚层细胞和滋养外胚层分别产生卵黄囊和胎盘。人类胚胎发育到第7天,需要植入母亲的子宫中,才能继续存活和发育。临床上有大量的胚胎会在前两周出现无法着床或正常发育的现象。7天之后,胚胎在子宫中发生了什么变化,导致这些变化的关键细胞和分子事件是什么? 由于伦理和技术的限制,而长期处于“黑匣子”般的状态。阐明胚胎从着床开始的早期发育情况,一方面对于不孕症的干预、试管婴儿技术成功率的提升至关重要,另外一方面对促进人类干细胞、组织器官再生研究和应用提供重要的研究基础。
2016来自剑桥大学以及洛克菲勒大学的Zernicka-Goetz和Brivanlou两个团队取得了里程碑的突破(Science杂志将其评为2016年全球10大科技进展之首),他们在二维(2D)培养皿中成功将人囊胚(E5-E6)延迟培养到12-13天,这些2D培养的胚胎初步显示出体内胚胎发育的一些简单结构。在此体系基础上,汤富酬和乔杰课题组最近利用单细胞转录组和DNA甲基化图谱,解析了人类胚胎在此过程中的一些发育机制,扩展了对这个阶段的人胚胎发育的认识。但详述人类妊娠早期胚胎发育(包括空间自组织和细胞类型个体发育)的知识仍然受到可用的二维技术平台的限制,这些平台并没有概括体内条件。

人的胚胎在体外3D条件下发育到14天

12月12日,国际顶尖杂志 Nature 以“article”形式在线公开发表昆明理工大学研究论文“A developmental landscape of 3D-cultured human pre-gastrulation embryos”,首次绘制了人原肠前胚胎的发育全景图,为研究人着床后的早期胚胎发育建立了重要的研究基础。昆明理工大学灵长类转化研究院的李天晴教授季维智院士为文章的共同通讯作者。昆明理工大学李天晴课题组博士生相立峰博士后尹宇郑云研究员及云南省第一人民医院马艳萍主任医师李永刚主任技师为该文章的并列第一作者。昆明理工大学是论文的第一完成单位,云南省第一人民医院为第二单位。

3D培养的人胚胎产生前后轴和原条的形成

该研究中,作者在获得严格的伦理允许和病人知情同意的条件下,利用临床上捐献的胚胎,首先通过改善培养基和培养方法,开发了一个三维(3D)人囊胚培养体系,克服二维(2D)无法模拟胚胎发育的缺陷。采用该体系首次将人囊胚在3D条件下培养到原条阶段(第14天),但未出现早期神经系统的发育,因此符合胚胎研究的国际伦理。这些3D胚胎能高度地模拟了体内胚胎的发育,经历不同形态的发育并自发组装成2D条件下无法产生的3D结构,包括胚胎双层杯盘、羊膜(amnion)、基底膜(basal membrane)、初级和灵长类独特的次级卵黄囊、前后轴和原条。原条的产生起源羊膜上皮细胞(AME)和上胚层细胞(epiblast)的连接处。利用这个体系,作者研究并揭示了人原肠前胚胎的关键发育事件:   1)通过大量单细胞的转录表达谱的分析,揭示了上胚层细胞、下胚层细胞和滋养层细胞谱系分化和发育的动态和分子调控网络。   2)AME是上胚层细胞分离出来的第一类细胞系,不同于啮齿类动物,人AME发生于原条形成之前,但其特性和分子机制不清楚。作者研究发现:与上胚层细胞相比,AME显著地下调多能性基因,其形成与基底膜的缺失显著相关,并有独特的分子表达谱。   3)作者首次阐明细胞滋养层(cytotrophoblast)、绒毛外细胞滋养层(extravillous cytotrophoblast)和合胞体滋养细胞(syncytiotrophoblast)在胚胎着床后的分化以及引起分化的信号和转录因子,揭示了绒毛外细胞滋养层在早期胚胎中不同于中、后期胎盘的功能。   4)作者揭示了上胚层细胞PSCs,多能干细胞)着床后将很快从naive到primed状态的转变。其PSCs表达谱的变化,主要发生在内细胞团到着床前上胚层细胞以及原条产生的两个阶段。相比较,PSCs在着床到第14天期间保持相对的稳定状态。而其发育和转化是由不同的多能因子协调作用所决定的。   5)通过人和猴子胚胎的转录组分析,发现猴子和人上胚层细胞在代谢上具有明显差异,而在维持干细胞多能性以及发育的关键分子和信号通路上具有保守性

人上胚层细胞的发育和原肠前胚胎的发育全景图

总之,该研究首次系统研究了原肠前人胚胎和多能干细胞的发育过程,绘制了原肠前人胚胎的分子和形态发育全景图,填补了相关领域的空白。人胚胎三维培养系统的建立对探索人原肠前胚胎发育开辟了崭新的研究平台,为人类早期胚胎发育异常等重大疾病的临床药物研发和再生医学的发展提供了潜在的新工具,该技术未来结合人干细胞自组装为胚胎等技术,将进一步解析胚胎分化过程以及相关的信号通路调控,为人类深入认识胚胎发育机制提供了重要数据。

 

 

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1875-y

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