Cell背靠背封面 | 谭韬/陈永昌/吴军/季维智/刘兵合作开发食蟹猴胚胎体外发育3D模型揭示早期组织器官的发生

2023-05-12 17:20:05, BioArt

责编 | 兮

近年来我国育龄夫妇的流产及出生缺陷发生率已分别接近10%及5.6%，病人数量巨大，严重影响出生人口质量，生殖健康形式严峻，降低流产及出生缺陷发生率已成为我国人口健康大战略重要目标之一。解析早期胚胎发育事件及其调控机制有助于我们深入理解早期胚胎和器官发育与疾病发生的关系，为孕早期流产和出生缺陷防治及发育源性疾病的诊治提供理论基础和新的途径，这也是当前生殖医学领域亟待解决的难点与热点之一。但我们对这一时期人胚胎发育，特别是早期着床后胚胎发育知之甚少，处于“黑匣子”状态，对早期胚胎发育调控机制的深入理解，亟待创新性研究体系的建立与理论和技术突破。

2023年5月11日，省部共建非人灵长类生物医学国家重点实验室/昆明理工大学灵长类转化医学研究院谭韬/陈永昌/季维智团队、中国人民解放军总医院/血液与健康全国重点实验室刘兵团队及德州西南医学中心吴军团队合作在Cell期刊发表题为Ex utero monkey embryogenesis from blastocyst to early organogenesis的研究论文。该研究开发了一种3D培养系统（EMEUC），实现了食蟹猴胚胎体外25天（25 d.p.f.）的长时程培养（图一）。利用该平台，研究人员系统研究了原肠运动及造血等早期组织器官发生的谱系特化轨迹和分子演进规律。

值得一提的是，5月11日，来自中国科学院动物研究所王红梅研究员、郭帆研究员、李伟研究员和美国宾夕法尼亚大学Nicolas Plachta教授，于Cell在线背靠背发表了题为Neurulation of the cynomolgus monkey embryo achieved from 3D blastocyst culture的文章（详见今日BioArt推送），在这项研究中，研究者建立了一个可支持食蟹猴胚胎体外发育至受精后25天的3D长时程培养体系，并基于该体系探究了灵长类胚胎中晚期原肠运动和早期神经发育过程中的核心事件和谱系特征。

图一体外培养食蟹猴胚胎双光子三维重构（上图）及示意图（下图）。

研究者首先优化了前期食蟹猴胚胎培养系统（专家点评丨中国学者Science背靠背揭示体外培养的灵长类动物早期胚胎发育图谱），借助细胞外基质构建了3D培养环境，同时借助葡萄糖的加入，促进了胚胎体外发育，培养胚胎在形态、发育进程等与体内胚胎高度一致，大约对应体内的卡内基阶段（carnegie stage， CS）8c。结合单细胞转录组（scRNA-seq）和免疫荧光染色验证，研究人员发现EMEUC培养的胚胎除了早期神经分化，还出现了造血谱系特化，其高度模拟了体内卵黄囊的两个波次造血发生，尤其是捕获并识别了猴第一波次造血的关键前体细胞（包括生血成血管细胞（Hemogenic angioblast）、第一波次造血祖细胞），这也是迄今为止它们在非人灵长类胚胎中被首次精确识别和系统解析，而在以往的人多能干细胞体外分化体系中并不能很好的重现。此外，与人多能干细胞的体外分化体系相比，体外培养的猴胚能够产生更接近人体内第二波次造血的生血内皮细胞，这些结果表明该体系有望成为更合适的灵长类早期造血的研究模型。接下来，研究团队通过人、猴、鼠跨物种的整合分析发现，猴的第二波次造血与人更为接近，表明人、猴在早期造血发育具有较强的保守性而与啮齿类存在差异。最后，该研究还进一步聚焦猴第一波次造血特化的过程，并系统揭示了猴和小鼠在该过程中的物种保守和差异的分子事件（图二）。

图二体外培养食蟹猴胚胎早期造血发生。A.主要的卵黄囊内皮及两个波次造血细胞群体；B.不同的细胞群体的时间动力学变化；C.人、猴、鼠胚胎早期主要内皮造血相关群体的相关性分析。

除了外胚层和中胚层的谱系特化外，研究人员还观察到内胚层的特化，在体外培养猴胚胎中发现了早期肠（primitive gut）的形成, 并与体内猴胚胎及人胚胎肠亚群高度一致；进一步研究表明，BMP和EGF信号通路与前肠形成有关，而WNT和Hedgehog信号通路可能在后肠发育中发挥重要作用，并提出内脏内胚层细胞参与了前、后肠发育过程。前期研究表明，体外培养猴胚胎可以形成原始生殖细胞样细胞（PGCLC），PGCLC细胞是否可以在体外发生迁移并进一步成熟，尚不了解。研究者们借助EMEUC系统，揭示随着培养的进行，PGCLC细胞开始向卵黄囊迁移，随之代谢模式从糖酵解向氧化磷酸化转变。最后，作者系统揭示了食蟹猴早期胚胎发育中的X染色体剂量补偿调控过程，值得指出的是雌性PGCLC中X染色体总体基因表达水平逐渐上调，且存在X染色体再激活过程。参与X染色体失活的长链非编码RNA（lncRNA）XIST在雄性早期PGCLCs中很少或没有表达，晚期升高，而在雌性PGCLC中表达水平相对稳定。

综上，研究者们开发了一种能够支持食蟹猴胚胎体外发育至早期器官发生的3D培养体系，并系统研究了非人灵长类从原肠胚形成到早期器官发生过程的重要细胞组成及谱系分化轨迹，研究结果将有助于了解人类胚胎发育畸形及孕早期流产的病因。

中国人民解放军总医院第五医学中心公彦栋副研究员、省部共建非人灵长类生物医学国家重点实验室白冰博士、博士后孙念琴、博士研究生慈百全、博士研究生邵红莲、博士研究生张婷为本论文的共同第一作者。谭韬教授、陈永昌教授，吴军教授、季维智教授、刘兵研究员为本论文的共同通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.04.020；

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00415-4

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