猴子一生中「最重要時刻」首次體外重現
《科學》以「研究文章」形式在線發表了相關研究工作。
圖片來源於《科學》官網
本報記者 陸成寬
英國著名發育生物學家路易斯·沃伯特曾說：「人一生最重要的時刻不是出生、結婚和死亡，而是原腸運動。」
來自中國科學院動物研究所等單位的研究人員，藉助該團隊深耕多年建立的非人靈長類動物胚胎體外培養系統，將食蟹猴囊胚體外培養至原腸運動出現，並進一步發育至受精後20天，體外重現非人靈長類動物胚胎原腸運動。該研究為了解靈長類動物早期胚胎發育過程奠定了重要的研究基礎，重現了猴子一生中「最重要的時刻」。相關研究成果於近日在線發表於《科學》雜誌上。
囊胚在子宮「安家」前後，啟動原腸運動，形成原腸胚。受訪者供圖
一個古老的研究領域 原腸運動神秘面紗被逐漸揭開
那麼，究竟什麼是原腸運動呢？
說來話長，早期胚胎發育關乎生命本源，一直是生物學研究的熱點和難點。哺乳動物交配後，精子和卵子結合，形成受精卵。受精卵在輸卵管中經一系列卵裂和分化形成囊胚。隨後，囊胚遷移至子宮著床。囊胚在子宮「安家」前後，它的部分細胞開始移動、重排和分化，啟動原腸運動，形成內、中、外三個胚層，也就是原腸胚。從囊胚發育到原腸胚的過程，就是原腸運動。
「原腸運動是早期胚胎發育最特殊的階段，細胞會從幾百個直接增加到幾千、幾萬個。」中國科學院院士、動物所所長周琪說道。
原腸運動作為胚胎發育最重要事件之一，是一個古老而神秘的研究領域。早期的發育生物學家們對原腸運動的闡述各不相同，直到上世紀五六十年代，原腸運動才有了較為統一的定義，即「細胞經有序的遷移後分化形成三個胚層」。
發育生物學家最初以結構簡單的低等無脊椎動物，如海綿、水母、海膽、線蟲和果蠅等來研究原腸運動，揭示了該過程中細胞運動、細胞極化、細胞連接和細胞間通訊等基本細胞生物學事件；繼而採用高等脊椎動物，如魚類(斑馬魚)、兩棲類(非洲爪蟾)和哺乳類(小鼠)等為模型探索原腸運動，原腸運動發生機制的神秘面紗被逐漸揭開。
2016年，來自劍橋的研究團隊建立了小鼠著床後胚胎的體外培養體系，觀察到了體外培養的小鼠胚胎前後軸的形成和卵圓柱形態發生，這一體系為闡明早期著床後胚胎發育和原腸胚發生提供了重要實驗手段。
儘管小鼠胚胎體外培養系統取得很大的突破，但即使同為哺乳動物的嚙齒類動物，其早期胚胎也與靈長類動物存在顯著不同。比如，小鼠胚胎著床後上胚層形成杯狀結構，而靈長類動物胚胎則形成雙層胚盤狀結構。因此，很難將小鼠有關原腸運動的研究結果直接推演到人類等靈長類動物。
胚胎發育的「高光時刻」 可避免人類胚胎培養14天倫理限制
原腸運動是包括人類在內的靈長類動物發育過程中的裡程碑事件。「早期胚胎發育和原腸運動發生異常往往導致妊娠失敗和出生後器官缺陷等重大疾病。」論文通訊作者、中國科學院動物所研究員王紅梅說。
然而，由於倫理限制，體外人類胚胎培養不能超過受精後14天，但靈長類動物原腸運動多發生在受精14天以後，所以生物學家一直對人類原腸運動「這一高光時刻」一無所知。
揭開原腸運動的神秘面紗，模式動物的應用對於人類認識原腸運動將發揮不可替代的重要作用。由於同人類遺傳與進化較為接近，食蟹猴被研究人員選為模式動物，避免了人類胚胎培養14天的倫理限制。
在項目開展中，研究人員研究建立了一個新的體外培養體系，能夠支持食蟹猴的胚胎在受精後體外發育長達20天，首次證明靈長類動物胚胎可以在沒有母體支撐的情況下體外發育至原腸運動，並重現了靈長類動物早期胚胎發育的幾個關鍵事件。
研究人員從形態學、標記分子染色和單細胞轉錄組等多個角度提供了充分的證據，證明體外發育的食蟹猴胚胎高度重現體內胚胎發育過程，包括形成清晰的羊膜腔以及卵黃囊結構，之後發生原腸運動，形成原條結構，同時伴隨前後軸結構的差異分化。在體外培養胚胎發育的第12—16天還能觀察到原始生殖細胞，這些特徵是之前人類胚胎體外培養所未觀察到的。結合單細胞轉錄組測序分析，這項研究第一次提供了靈長類動物早期胚胎發育過程中羊膜細胞的基因表達特徵，並重新定義了靈長類動物早期胚胎多種細胞類型。
生殖醫學領域一項重大突破 有助找到不良妊娠及胎兒畸形原因
在王紅梅看來，該研究對探索靈長類動物早期胚胎發育和原腸運動開闢了嶄新研究平臺，為人類早期胚胎發育異常等重大疾病的臨床藥物研發和再生醫學的發展提供了潛在的新工具，為人類深入認識胚胎發育機制和體外孕育生命(非人)探索提供了重要數據。
中國工程院院士、北京大學第三醫院院長喬傑在對這項研究進行點評時表示，猴子被認為是研究人類生理學和病理學的可靠動物模型，其植入後發育的體外培養體系的建立，為研究靈長類動物的植入後胚胎發育的過程提供了平臺，將大大提高我們對靈長類和人類早期胚胎發育的認識及相關疾病的了解，特別是為不良妊娠及胎兒畸形病因的探討奠定了很好的基礎。
南京醫科大學生殖醫學國家重點實驗室教授沙家豪也認為：「該研究利用胚胎體外培養技術，成功解析了靈長類早期原腸發生這一重要事件，是生殖醫學領域一項重大的科研突破，同時這項技術的突破對於研究人類發育和疾病發生機制有著非常重要的意義。」
這一突破有助於闡明靈長類動物的原腸胚發育的調控機理，同時促進對人類胚胎發育的認知，如：三胚層形成、胚胎體軸的形成、原條形成、細胞遷移趨化運動等過程的分子調控機制，以及細胞之間的相互作用，揭示高等靈長類與低等動物的差別，填補高等動物胚胎發育機制的理論空白。
與此同時，該靈長類動物的體外原腸胚形成模型系統的建立，可篩選來源於精子、卵子和宮內的致死和致畸因子；也可以幫助理解早期胚胎細胞分化，優化和提高輔助生殖技術，能為臨床治療不孕不育和防範出生缺陷提供基礎理論指導、開拓新型治療方法。由於原腸胚形成能分化為機體各個器官的三胚層細胞，對再生醫學研究具有重要意義，如研究多能幹細胞分化為特定的細胞類型，用於疾病模擬和幹細胞治療。