多篇文章聚焦科學家們在胚胎發育研究領域取得的新成果!

2020-11-25 生物谷

本文中,小編對近期科學家們在胚胎發育研究領域取得的新成果進行整理,分享給大家!

圖片來源:University of Cambridge

【1】Nature:分節時鐘的時間延遲同步振蕩調節著胚胎發育

doi:10.1038/s41586-019-1882-z

在一項新的研究中,來自日本京都大學和日本理化研究所的研究人員在小鼠細胞中利用一種新的活體成像(live-imaging)技術發現一個特定的時鐘基因,即Hes7,會在一定的時間延遲內振蕩,從而產生脊椎動物中的脊椎骨(vertebrae)、脊柱和枕骨。這一發現揭示了細胞內的通訊在正常發育中如何受到控制和定時,以及涉及哪些化合物,相關研究結果發表在Nature期刊上。

在胚胎發育過程中,將形成神經組織和結締組織的細胞排列在一起並開始表達相關基因。這個過程有規律地發生,發育生物學家稱之為分節時鐘(segmentation clock)。由此形成的重複結構沿著身體軸線分布,並產生脊椎骨和肋骨。論文通訊作者、京都大學綜合細胞材料科學研究所發育生物學家Ryoichiro Kageyama及其同事們想要了解細胞內的協調動力學。在此之前,人們僅在快照中研究了這一過程,但未使用活體成像。

【2】Science:我國科學家揭示靈長類動物胚胎發育之謎

doi:10.1126/science.aax7890等

原腸胚形成(gastrulation)是發育中的裡程碑事件,它涉及早期胚胎發生中出現的一系列複雜的分子、物理和能量重塑轉變。不同物種間的這種轉變過程各不相同,導致地球上動物形態的多樣性。由於技術和倫理上的限制,靈長類動物原腸胚形成的分子和細胞機制尚不清楚。缺乏處於原腸胚形成階段的靈長類動物胚胎樣品限制了科學家們對靈長類動物中這一關鍵事件的理解。近期,人類胚胎在體外培養了12到13天。許多政府和國際組織建議不要讓人類胚胎在體外培養超過14天。因此,有理由期待對非人靈長類動物胚胎模型系統的分析將闡明原腸胚形成機制,並有望闡明人類發育以及早期發育過程中出現的過程異常如何導致發育缺陷和疾病。

猴子長期以來被認為是一種可靠的研究人類生理和病理事件的動物模型,這是因為它們在基因組和形態學特徵上與人類高度相似。在兩項新的研究中,我國研究人員開發出一種體外培養(in vitro culture, IVC)系統來研究食蟹猴胚胎植入後發育到原腸胚形成階段和超過原腸胚形成階段(受精後第9~20天);相關研究結果發表在Science期刊上。文章中,研究人員開發出一種可在受精後長達20天的時間內支持食蟹猴胚胎在體外培養的系統。通過將組織學染色和免疫螢光染色與單細胞RNA測序(RNA-seq)分析相結合,他們發現這些體外培養的猴子胚胎的發育超過了早期的原腸胚形成階段,並概述了靈長類動物體內胚胎植入後早期發育的關鍵事件。

【3】Science:中美科學家聯合研究揭開靈長類動物胚胎發育的「魔盒」

doi:10.1126/science.aaw5754

目前我們並不清楚靈長類動物早期胚胎發育過程中所發生的分子和細胞事件,如今,來自中國和美國的科學家們通過聯合研究開發了一種新方法,能在實驗室中研究靈長類動物胚胎的生長過程,同時也能幫助研究人員首次觀察到胚胎關鍵發育過程中的分子細節,相關研究刊登於國際雜誌Science上。

這項研究是在非人類的靈長類動物細胞中進行的,其對於人類早期發育的研究也具有重要的意義;能提供早期胚胎發育的信息,並提供關鍵信息來改善人類再生醫學的研究進度。研究者Juan Carlos Izpisua Belmonte說道,我們的研究為揭開胚胎早期發育的黑匣子提供了第一個視角,如今我們就能觀察到每一個胚胎發育過程細胞的進展情況以及胚胎發育需要哪些因素。

【4】Nature:華人科學家開發微流體類胚胎模型,助力揭開胚胎發育的秘密

doi:10.1038/s41586-019-1535-2

早期人類胚胎發育包括廣泛的譜系多樣化、細胞命運分化和組織模式。儘管早期人類胚胎發育具有基礎性和臨床重要性,但由於種間差異和對人類胚胎樣本的可獲得性有限,科學家們目前為止仍然不清楚對早期人類胚胎發育的原因。為了揭示其中的秘密,來自密西根大學的華人科學家Jianping Fu和加州大學的研究人員合作,報告了一種人類多能幹細胞(hPSCs)體外微流控培養系統,相關研究成果發表在Nature雜誌上。

這種系統以一種高度可控和可伸縮的方式,模擬了上胚層和羊膜外胚層部分的發育,包括外胚層的腔內形成和由此產生的前羊膜腔,雙極胚胎囊的形成,以及原始生殖細胞和原始條紋細胞的分化。研究人員進一步證明羊膜外胚層樣細胞作為一個信號中心,在人乳頭狀細胞中觸發類似於胃泌素的事件。

【5】Cell:長期存在的細胞發育難題終破解!揭示神經嵴細胞在胚胎發育早期清除死亡細胞

doi:10.1016/j.cell.2019.08.001

無論是人類、魚類還是任何其他類型的脊椎動物,在其一生當中,細胞都會死亡,從而為新細胞騰出空間來進行重要的過程。但是死細胞必須被清除,在胚胎階段之後,細胞碎片是通過稱為巨噬細胞的免疫系統細胞清除的。 然而,處於胚胎階段的有機體還沒有發育出巨噬細胞和免疫系統。它們是隨後在有機體的進一步發育過程中產生的。那麼在巨噬細胞出現之前,死細胞是如何被清除的呢?這是發育生物學家長期以來提出的一個老問題。 如今,在一項新的研究中,來自美國維吉尼亞大學的研究人員描述了他們發現的一個過程:神經系統的胚胎細胞-神經嵴細胞-在斑馬魚發育的較早階段執行死細胞清除任務,相關研究結果發表在Cell期刊上。

通過對活斑馬魚胚胎進行成像,這些研究人員能夠觀察到遷移性的神經嵴細胞以一種非常類似巨噬細胞的方式發揮功能。這些最終產生周圍神經系統並產生多種組織(骨骼、色素細胞、軟骨和纖維結締組織)的神經嵴細胞似乎在物理上接觸死細胞,包圍它們,隨後吸收它們所含的諸如胺基酸之類的化合物,這些化合物接著就可用於構建新的細胞。

圖片來源:University of Cambridge

【6】Nature:研究揭示胚胎發育過程中細胞內化的新機制

doi:10.1038/s41586-019-1492-9

來自艾克斯馬賽大學和CNRS、Turing生命系統中心、芝加哥大學和法蘭西學院的一組研究人員揭示了果蠅胚胎發育過程中細胞內化的一個此前未知的過程。在他們發表在《Nature》雜誌上的論文中,該小組描述了他們對果蠅胚胎發育的研究,以及他們從中學到的東西。果蠅是一種常見的果蠅。華威大學(University of Warwick)的Kristen Panfilio在同一期期刊上發表了一篇新聞和觀點文章,概述了該團隊的工作。

正如Panfilio所指出的,胚胎發育期間會發生一個叫做形態發生的過程,在這個過程中,身體形成了。正如她進一步指出的,在大多數情況下,會發生許多組織重塑。舉個例子,在在形態發生的最後時間段,形成肌肉組織的細胞實際上會從早期胚胎的外部移動到更內部的位置。在這項新的研究中,研究人員報告說,他們在果蠅身上發現了這個過程中以前從未見過的一個方面。

【7】Mol Cell:揭秘胚胎發育奧秘!為何發育中胚胎的細胞彼此並不相同?

doi:10.1016/j.molcel.2019.06.038

近日,一項刊登在國際雜誌Molecular Cell上的研究報告中,來自紐約大學的科學家們通過研究闡明了在胚胎發育(embryogenesis)過程中細胞變得彼此不同的分子機制,相關研究結果或能幫助闡明胚胎發育的遺傳規律,同時也能幫助理解疾病發生和出生缺陷的原因。研究者Stephen Small教授解釋道,很多年來科學家們一直知道,在特定細胞中改變基因的開啟或會引起出生缺陷的癌症發生,然而其中的分子機制研究者卻知之甚少,本文研究結果揭示了在胚胎發生過程中該過程被調節的分子機制。此前研究人員鑑別出了基因啟動子(promoters)的存在,然而這些研究並未描述這些啟動子是如何被激活的,以及在胚胎發育過程中細胞是如何變得彼此不同的。

這項研究中,研究人員重點對一種名為hunchback (hb,駝背基因)的基因進行研究,該基因能使得果蠅胚胎頭部的細胞與腹部細胞不同,如今研究者在名為bh啟動子(或遺傳開關)的區域中發現了hb基因的DNA序列代碼,如果hb啟動子的開關被關閉的話,hb基因就會沉默並停止表達,然而一旦其開啟表達,基因就會產生RNA副本,其對於指定頭部發育至關重要。

【8】Science:我國科學家揭示人類早期胚胎發育中的組蛋白修飾重編程

doi:10.1126/science.aaw5118

在真核生物中,組蛋白與帶負電荷的雙螺旋DNA組裝成核小體。因胺基酸成分和分子量不同,組蛋白主要分成5類:H1,H2A,H2B,H3和H4。除H1外,其他4種組蛋白均分別以二聚體形式相結合,形成核小體核心。DNA便纏繞在核小體的核心上。而H1則與核小體間的DNA結合。組蛋白修飾(histone modification)是指組蛋白在相關酶作用下發生甲基化、乙醯化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等修飾的過程。

組蛋白上發生甲基化的位點是賴氨酸和精氨酸。賴氨酸能夠分別發生一、二、三甲基化,精氨酸只能發生一、二甲基化。在組蛋白H3上,共有5個賴氨酸位點可以發生甲基化修飾。一般來說,組蛋白H3K4的甲基化主要聚集在活躍轉錄的啟動子區域。組蛋白H3K9的甲基化與基因的轉錄抑制及異染色質有關。H3K27甲基化可導致相關基因的沉默,並且與X染色體失活相關。H3K36的甲基化與基因轉錄激活相關。組蛋白修飾調節基因表達和發育。在一項新的研究中,為了解決在人類早期發育中組蛋白修飾如何發生重編程,清華大學等機構的研究人員研究了人卵母細胞和早期胚胎中的關鍵組蛋白標記,相關研究結果發表在Science期刊上。

在小鼠卵母細胞中,H3K4me3與H3K27me3都表現出與體細胞不同的非經典分布規律。與小鼠中不同的是,允許性標記H3K4me3在人卵母細胞的啟動子中主要表現出經典的分布模式。在受精後,合子基因組激活(zygotic genome activation, ZGA)前的胚胎在富含CpG的調節區域中獲得可訪問性的染色質和廣泛的H3K4me3。相比之下,抑制性標記H3K27me3經歷全局性消除。隨後,一旦合子基因組激活,富含CpG的調節區域轉變為活性或抑制狀態,隨後在發育基因上恢復H3K27me3。

【9】Nature:新研究揭示胚胎發育早期基因組的組裝特徵

doi:10.1038/s41586-019-1233-0

最新一項研究表明,卵母細胞受精後立即會出現DNA活性和非活性區域的分化,該現象甚至在基因被激活之前就已經出現。該研究將有助於更好地了解單個受精卵母細胞發育成由許多不同細胞類型組成的完整生物體的機制,相關結果發表在Nature雜誌上。

受精卵最終會發育成一個完整的,由數萬億個具有多種功能的細胞組成的有機體。儘管這些細胞具有不同的功能,但所有這些細胞中的DNA都是相同的。細胞的特性由基因組的特定表達譜決定。但其中的決定機制並不清楚。DNA在細胞核中並不是隨機分布的,他們在空間上具有活性和非活性區域的區分。不同的區域則由被稱為Lamina Associated Domains,或LAD的結構分隔。這導致了染色體的空間異質性的形成,與靠近LAD的部分相比,存在於LAD間的部分更容易被激活。

【10】Science:新研究打破人們對基因如何影響早期胚胎發育的常規理解

doi:10.1126/science.aau0583

我們的身體大約有14萬億個細胞,每個細胞含有一個細胞核,每個細胞核含有長2米寬20個原子的DNA。為了適應每個細胞核,DNA纏繞在特定的蛋白周圍。這些纏繞的DNA抑制基因調控蛋白結合到基因組中的蛋白編碼片段上,這有助於將細胞不需要的基因保持在「關閉」位置。

到目前為止,人們尚不清楚這種DNA包裝如何影響早期胚胎的發育。在一項新的研究中,來自美國賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院的研究人員發現在小鼠胚胎---受精後僅8天大---中,基因組中的緊湊包裝區域在蛋白編碼基因上增加了。在這種細胞分化階段幾天後,這些緊密包裝的基因組區域鬆散開來,從而允許某些基因被讀取和產生相應的蛋白,相關研究結果發表在Science期刊上。

研究者表示,這意味著我們在對早期胚胎中基因如何受到控制的理解上發生了根本性變化,即便我們迄今為止還不能觀察到所有潛在的臨床影響。這項研究證實基因活性處於『關閉狀態』在早期的動物發育中起著重要作用。(生物谷Bioon.com)

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