-科學(xué)家構(gòu)建首個體外人囊胚模型
作者:辛雨
發(fā)布時間:2021-03-19
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-科學(xué)家構(gòu)建首個體外人囊胚模型

實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的人類囊胚與5天大的人類胚胎有許多相似之處。圖片來源:UNIVERSITY OF TEXAS SOUTHWESTERN MEDICAL CENTER

處于囊胚期的人類胚胎比圓珠筆尖還小,可能包含不到100個細(xì)胞,長期以來,囊胚期人類胚胎的發(fā)育路徑一直困擾著科學(xué)家。例如,許多流產(chǎn)發(fā)生在這一階段,這一階段的囊胚也可以分裂產(chǎn)生雙胞胎。

現(xiàn)在,多個研究小組已經(jīng)找到了模擬囊胚模型的方法,可在實(shí)驗(yàn)室誘導(dǎo)培養(yǎng)人類細(xì)胞形成與真實(shí)細(xì)胞非常相似的簇狀細(xì)胞。

3月18日,《自然》發(fā)表兩篇文章,描述了兩種在實(shí)驗(yàn)室條件下生成的人囊胚樣結(jié)構(gòu)。這使研究人員能夠解決有關(guān)人類生育能力的重要問題,如為什么體外受精經(jīng)常失敗。

“囊胚模型將成為研究人類發(fā)育這一階段的窗口,將允許我們以前所未有的方式研究?!蔽磪⑴c該研究的美國萊斯大學(xué)干細(xì)胞生物學(xué)家Aryeh Warmflash說。

我們都曾經(jīng)是囊胚。對人類來說,這個階段開始于受精后5天左右,只持續(xù)幾天,是一個分水嶺。“囊胚是我們培養(yǎng)特殊細(xì)胞類型的第一個階段?!奔幽么蠖鄠惗啻髮W(xué)兒童醫(yī)院發(fā)育生物學(xué)家Janet Rossant說。這一階段還引發(fā)了另一重大事件——著床,此時囊胚依偎在子宮內(nèi)膜,開始與母親的細(xì)胞相互作用,形成胎盤。

但是,要回答諸如哪些基因協(xié)調(diào)囊胚發(fā)育,以及為什么著床常常不成功等問題一直很困難。人類囊胚的唯一來源是最初用于體外受精的捐贈胚胎,這些胚胎非常稀少,而且背負(fù)著沉重的道德包袱。為了尋找替代方法,很多科學(xué)家已經(jīng)誘導(dǎo)老鼠干細(xì)胞形成囊胚樣團(tuán)塊,但它們并不能完美重現(xiàn)人類胚胎中發(fā)生的事情。

為了制造人類囊胚模型,美國德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯西南醫(yī)學(xué)中心細(xì)胞生物學(xué)家吳軍及其同事首先鎖定了胚胎干細(xì)胞,這種細(xì)胞可以從人類囊胚中分離出來,產(chǎn)生我們體內(nèi)所有類型的細(xì)胞。研究人員此前發(fā)現(xiàn),在特定的培養(yǎng)條件下,胚胎干細(xì)胞可以在囊胚中形成三種類型的細(xì)胞。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),當(dāng)他們用兩種分子混合物刺激培養(yǎng)的人類胚胎干細(xì)胞時,這些細(xì)胞會聚集成囊胚的死亡模子。

胚胎干細(xì)胞來自人類的囊胚,它們有許多相同的倫理和實(shí)踐限制。但在正確的分子刺激下,研究人員可以將成熟細(xì)胞(如皮膚成纖維細(xì)胞)轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞(iPS細(xì)胞),iPS細(xì)胞與胚胎干細(xì)胞具有同樣的組織生成能力,但不需要破壞胚胎。研究人員表示,用同樣的兩種分子混合物推動人類iPS細(xì)胞也會產(chǎn)生類似囊胚的細(xì)胞簇。

第二篇論文是由澳大利亞莫納什大學(xué)干細(xì)胞生物學(xué)家Jose Polo領(lǐng)導(dǎo)的,他在研究皮膚細(xì)胞如何轉(zhuǎn)變?yōu)閕PS細(xì)胞時,偶然發(fā)現(xiàn)了制造人類囊胚的另一種方法:尚未完全轉(zhuǎn)化為iPS細(xì)胞的中間細(xì)胞可以產(chǎn)生所有三種囊胚細(xì)胞。在標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)皿上,細(xì)胞不能充分發(fā)揮其潛能。但在更寬敞的空間里,它們會聚成類似囊胚的球體。

上周,美國加州理工學(xué)院發(fā)育生物學(xué)家Magdalena Zernicka-Goetz和北京大學(xué)第三醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心副研究員于洋領(lǐng)導(dǎo)的研究小組分別在預(yù)印本網(wǎng)站BioRxiv發(fā)表論文,報告他們也用“延伸”的人類干細(xì)胞制造出了類似胚囊的簇狀細(xì)胞。

Polo和吳軍的研究小組證明了他們的胚囊再現(xiàn)了人類胚囊的許多特征。例如,它們含有相同數(shù)量的細(xì)胞,并且開啟了許多相同的基因。至少在培養(yǎng)皿中,胚囊可以重現(xiàn)一些移植的早期步驟。

聚成類似囊胚的球體與體外受精來源的囊胚有幾個關(guān)鍵區(qū)別。美國加州大學(xué)舊金山分校生殖和發(fā)育生物學(xué)家Susan Fisher說:“有很多事情我們不了解,但這是非常令人興奮的第一步,我們從中可以學(xué)到很多東西。”

盡管新技術(shù)效率低下,Polo指出,它們?nèi)匀豢梢源罅慨a(chǎn)生囊胚。這使得研究人員可以使用囊胚來測試某些化學(xué)物質(zhì)是否會破壞胚胎發(fā)育,追蹤突變是如何導(dǎo)致出生缺陷的,并改進(jìn)體外受精。吳軍警告說,囊胚不是胚胎,而是“經(jīng)歷了胚胎發(fā)生早期階段的細(xì)胞集合”。他補(bǔ)充說,人類的囊胚不能發(fā)育成胎兒。

一項(xiàng)被廣泛接受的研究指導(dǎo)方針明確指出,禁止囊胚生長超過14天,以上四組囊胚研究都遵守了這一限制。據(jù)悉,國際干細(xì)胞研究協(xié)會將于5月發(fā)布新建議,可能會對胚狀細(xì)胞等胚胎結(jié)構(gòu)的研究提供進(jìn)一步指導(dǎo)。

相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-021-03356-y

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03372-y

https://doi.org/10.1101/2021.03.12.435175

https://doi.org/10.1101/2021.03.09.434313



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