前沿|胚胎幹細胞研究最新進展

文章來源|生物谷

胚胎幹細胞，是一種具有持久更新能力的細胞，它能夠或發育成幾乎所有人類的各種組織或器官，故其在醫學上具有非常重要的研究價值與應用前景。人胚胎幹細胞是在人胚胎發育早期——囊胚（受精後約5—7天）中未分化的細胞。囊胚含有約140個細胞，外表是一層扁平細胞，稱滋養層，可發育成胚胎的支持組織如胎盤等。中心的腔稱囊胚腔，腔內一側的細胞群，稱內細胞群，這些未分化的細胞可進一步分裂、分化，發育成個體。內細胞群在形成內、中、外三個胚層時開始分化。每個胚層將分別分化形成人體的各種組織和器官，如外胚層將分化為皮膚、眼睛和神經系統等，中胚層將形成骨骼、血液和肌肉等組織，內胚層將分化為肝、肺和腸等。由於內細胞群可以發育成完整的個體，因而這些細胞被認為具有全能性。當內細胞群在培養皿中培養時，我們稱之為胚胎幹細胞。

通常人胚胎幹細胞的來源有四種：選擇性流產的人類胚胎組織；治療不孕症夫婦不需要的由體外受精產生的人類胚胎；由捐獻者專門為研究所捐獻的配子由體外受精產生的人類胚胎；由體細胞核移植技術將人體細胞核移植入人或動物的卵泡內產生人類胚胎或嵌合體胚胎。

小編針對近年來胚胎幹細胞研究取得的最新進展進行一番盤點，以饗讀者。

1.MSB：轉錄因子濃度的時間波動或會影響胚胎幹細胞的分化命運
doi:10.15252/msb.20199002

蛋白質濃度的時間變化如何影響生物學？這是一個生物學家們最近才開始研究解決的問題，而且越來越多的研究結果表明，特定蛋白質數量的隨機時間變化在生物學過程中起著直接而且重要的角色。近日，一項刊登在國際雜誌Molecular Systems Biology上的研究報告中，來自瑞士洛桑聯邦理工學院等機構的科學家們通過研究發現，蛋白質濃度的時間波動或能決定胚胎幹細胞所轉變的細胞類型。

文章中，研究者對兩種名為SOX2和OCT4的重要轉錄因子進行研究，這兩種轉錄因子的水平在胚胎幹細胞中會隨著時間的改變而發生改變，其對於胚胎幹細胞的自我更新及分化為特定細胞類型都非常重要。為了監測轉錄因子的時間波動，研究人員進行了非常複雜的基因工程操作，在一條胚胎幹細胞線上製造了5個敲入的「報告」基因（reporter genes），這些是附在相關基因附近的基因，當細胞中靶向基因被表達時，其就會產生可見信號，比如螢光，隨後當其產生相應蛋白時其就會「報告」。

利用這種方法，研究人員就能在活體細胞中隨著時間延續來監測SOX2和OCT4的波動情況，同時還能闡明這些波動如何影響胚胎幹細胞的命運。研究者發現，上述任意一種轉錄因子水平的小變化都會影響細胞的命運，但僅在細胞生長的G1階段，增加SOX2的水平似乎會將胚胎幹細胞推向神經元型細胞分化方向，而提高OCT4的水平則會強烈地將細胞轉向分化為神經元細胞和非神經元細胞，其中的原因就是，較高的OCT4水平會增加分化因子對細胞染色質的可及性。

2.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上，題為"Controlled modelling of human epiblast and amnion development using stem cells"。

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。

由於微流控設備的可控性和可擴展性，它為人類胚胎學和生殖科學的發展提供了一個強大的實驗系統。研究人員表示，這種模型可為疾病建模和細胞治療中hPSCs細胞分化方案的合理設計以及預防妊娠失敗和出生缺陷的高通量藥物和毒性篩選提供參考。

3.Nat Cell Biol：利用人胚胎幹細胞構建出的胚狀體揭示BMP4破壞胚胎對稱性
doi:10.1038/s41556-019-0349-7
人類胚胎如何打破對稱性是一個謎。在一項新的研究中，來自美國洛克菲勒大學的研究人員利用人胚胎幹細胞（ESC）在實驗室中構建出早期人類胚胎模型，並且這種模型要比之前任何實驗室構建的胚胎模型都要複雜。他們還發現蛋白BMP4的使用破壞這些胚胎模型（稱為胚狀體）的對稱性，或者說從圓球體變為一種具有前端和後端的結構。令人吃驚的是，這能夠發生在含有BMP4但沒有母體因子或胚胎外組織的胚狀體（embryoid）中。相關研究結果發表在2019年7月的Nature Cell Biology期刊上，論文標題為「A 3D model of a human epiblast reveals BMP4-driven symmetry breaking」。圖片來自洛克菲勒大學幹細胞生物學與分子胚胎學實驗室。

這些研究人員將分離的人胚胎幹細胞置於含有水凝膠和胞外基質樣支架的培養皿中，發現它們將自我組裝成與10天大的人類胚胎（即所謂的上胚層階段）相當的球體，即胚狀體。當他們添加BMP4時，這些胚狀體出現了前後極性，包括類似原始條紋的跡象，從而在胚胎中建立了中線。

根據幹細胞研究人員遵循的現行倫理準則，對實際人類胚胎的研究只能持續14天。美國哈佛醫學院院長、幹細胞科學家George Daley（未參與這項新的研究）表示，這項研究「肯定會暗示科學正在向這一規則發起挑戰」，並補充道，基於這些發現，幹細胞科學家將不得不改寫他們的指導方針。

4.Nat Biotechnol：人類胚胎幹細胞來源的心外膜細胞增強心肌細胞驅動的心臟再生
doi:10.1038/s41587-019-0197-9
心外膜及其衍生物為發育和成體心臟提供營養和結構支持。為此，來自華盛頓大學的Charles E. Murry和劍橋大學的Sanjay Sinha合作測試了人類胚胎幹細胞(hESC)來源的心外膜在體外增強工程心臟組織的結構和功能的能力，並提高hESC-心肌細胞移植在心肌梗死大鼠心臟中的療效。相關研究成果發表在《Nature Biotechnology》上，題為"Epicardial cells derived from human embryonic stem cells augment cardiomyocyte-driven heart regeneration"。
與間充質間質細胞相比，心外膜細胞顯著增強了人工程心臟組織的收縮力、肌原纖維結構和鈣處理能力，減少了被動剛度。移植的心外膜細胞在梗死的心臟中形成持久的成纖維細胞移植物。hESC來源的心外膜細胞和心肌細胞在體內的聯合移植使移植物心肌細胞的增殖速度增加了一倍，使心臟移植物的尺寸增加了2.6倍，同時增強了移植物和宿主的血管化。
值得注意的是，與單獨接受心肌細胞、心外膜細胞或載體的心臟相比，聯合移植改善了心臟的收縮功能。
5.Nat Biotechnol：新研究有助於亨廷頓舞蹈症的藥物開發
doi:10.1038/s41587-019-0237-5 
亨廷頓氏症是一種發病速度緩慢的遺傳性疾病，往往在中年之後才會出現。然而新的研究結果表明，對於亨廷頓氏症患者而言，大腦中的某些變化可能在症狀出現之前很久就會出現。

Ali Brivanlou教授實驗室開發了一種由微小的神經膠質三維組織培養物構成的大腦器官模型。研究人員使用人類胚胎幹細胞製造這些模型，並在實驗室環境下對其進行操作以研究發育階段疾病的發生機制。 

之前的研究表明，亨廷頓氏症伴隨著年輕神經元細胞的病變中，而在這項最新研究中，作者將發育時間進一步追溯到大腦發育階段。當研究人員將已知導致亨廷頓氏症的突變引入神經膠質時，整個大腦模型的組織結構產生了顯著的變化。 

進一步，研究人員通過使用這一模型篩選預防這些異常發生的藥物，他們希望這種方法可以找到強有力的替代性療法。

6.Cell Rep：揭示腫瘤和罕見疾病中起關鍵作用的蛋白質的新功能

doi:10.1016/j.celrep.2019.05.078

由Ana Losada領導的西班牙國家癌症研究中心(CNIO)的染色體動力學小組在一篇發表於《Cell Reports》的論文中，描述了在老鼠胚胎幹細胞中黏連蛋白的新功能，這可能有助於理解和解決這些疾病的原因。

通過研究小鼠胚胎幹細胞--類似於人類胚胎幹細胞，Losada和她在CNIO的團隊在《Cell Reports》上發表的研究結果顯示，黏連蛋白-SA1有助於區分基因組組織的不同區域(TADs)。黏連蛋白-SA2有助於調節基因的表達，這些基因在維持幹細胞的多能性方面起著作用--多能性是使幹細胞能夠產生構成成人有機體的所有細胞類型的特性。

研究論文的通信作者Losada說："確認我們在人類細胞中觀察到的現象也發生在老鼠胚胎幹細胞等不同類型的細胞中對我們非常重要。"此外，該研究為胚胎幹細胞結構中黏連蛋白的新作用提供了證據。她補充道："我們首次展示了黏連蛋白對Polycomb domains的三維組織的貢獻。"

7.Nat Commun：研究人員發現基因組的三維結構是如何調控細胞分化的doi:10.1038/s41467-019-10318-6

明尼蘇達大學醫學院的一項新研究闡明了在骨骼肌形成之初，基因組的三維結構是如何被調控的。雖然基因組的DNA序列是一個線性的代碼，就像一個很長的句子，但實際的DNA分子在三維空間中扭曲和摺疊，其中一些序列彼此距離較遠，但卻在空間中物理上彼此接近。這些三維相互作用被認為可以使結合DNA的蛋白質調節離它們結合位置很遠的基因的活動。

剛剛發表在《Nature Communications》雜誌的一篇文章中，副教授Alessandro Magli博士、醫學教授Rita Perlingeiro博士和他的同事們研究了其中一個DNA結合蛋白質Pax3的活性，這個蛋白質對骨骼肌的發展至關重要。他們發現在Pax3結合的DNA序列和Pax3調控的肌肉特異性基因之間形成了大的環狀結構，這對肌肉的發育非常重要。 

8.Cell Metab: 科學家們通過構建工程化肝臟找到治療肝病的新方法

doi:10.1016/j.cmet.2019.05.007

科學家成功地構建出生物工程化人類肝臟類器官，能夠準確地模擬致命肝臟疾病的關鍵特徵。這使他們能夠發現潛在的疾病生物學機制，並開發相應的療法。在《Cell Metabolism》雜誌在線發表的研究結果中，辛辛那提兒童醫院醫學中心的研究人員表示，他們的研究克服了解決肝臟疾病的分子奧秘和尋找迫切需要的新療法的主要障礙。研究作者表示，它還可以通過個性化方法研究肝病中的炎症和纖維化，這些方法與個體患者的獨特遺傳學和生物學相匹配。

圖片來源：Cincinnati Children's。

「儘管目前的人體器官系統可以在像小鼠這樣的活體實驗室生物體中重建器官結構，但它們無法捕捉到肝臟疾病中炎症和纖維化的複雜病症，」作者Takanori Takebe說道。

「我們利用源自健康人類供體和肝臟疾病的多能幹細胞，開發了一種可重複生物工程複合多細胞人肝臟類器官的方法。這些類器官產生不同類型的肝細胞，如肝細胞，星狀細胞和Kupffer樣細胞，它們準確地在實驗室中重現炎症，纖維化和肝病的其他特徵。」

9.eLife：研究發現幹細胞防禦病毒感染的免疫學機制

doi:10.7554/eLife.44171

愛丁堡大學的研究人員研究了小鼠胚胎中的幹細胞，以了解幹細胞在成為特化細胞之前是如何產生對病毒的抵抗力的。這些研究人員發現了一種名為線粒體抗病毒信號蛋白(MAVS)的蛋白質，它能在幹細胞中開啟這種免疫反應。

他們發現當MAVS蛋白被打開和關閉時，一種被稱為mir -673的小分子具有調節作用。當miR-673在實驗室的幹細胞中被移除時，MAVS蛋白的產生被恢復，開啟了抗病毒反應。

研究人員說，同樣的機制也可能在人類身上發揮作用。這種抗病毒反應可能不存在於胚胎幹細胞中，因為它可以破壞發育。

10.Mol Cell：幹細胞是分化還是保持多能性？TDP-43和paraspeckle起關鍵作用

doi:10.1016/j.molcel.2019.03.041

誘導性多能幹細胞（ips細胞）可以轉變為體內的任何細胞或保持它們的原始形式。在一項新的研究中，來自德國亥姆霍茲慕尼黑中心等研究機構的研究人員描述了細胞如何決定選擇這兩個方向中的哪一個。在他們的研究中，他們鑑定出一種蛋白和一種核糖核酸（RNA）在這個過程中起著非常重要的作用。他們的發現還允許更好地理解肌萎縮側索硬化症（ALS），即一種影響運動神經元的進行性神經系統疾病。相關研究結果近期在線發表在Molecular Cell期刊上，論文標題為「Cross-Regulation between TDP-43 and Paraspeckles Promotes Pluripotency-Differentiation Transition」。

圖片來自Molecular Cell, 2019, doi:10.1016/j.molcel.2019.03.041。

論文第一作者、Drukker 團隊成員Miha Modic博士說，「我們注意到稱為paraspeckle（即旁斑）的細胞核區域（nuclear domain）不會在iPS細胞中發生，但在分化過程中很快就會形成，這與我們利用ips細胞產生的細胞類型無關。」Drukker和Modic猜測這種現象與幹細胞分化成體細胞的能力有關。這些研究人員發現細胞核中的兩個關鍵分子協調了paraspeckle的出現以及它們如何調節分化。

Drukker說，「在決定幹細胞是否分化或保持多能性方面，有兩個因子起著關鍵作用。我們鑑定出一種稱為NEAT1的RNA和一種稱為TDP-43的RNA結合蛋白。」NEAT1有兩種形式。NEAT1的較短形式可被TDP-43穩定化，在這種情況下，paraspeckle不會形成。幹細胞保持多能性，不會發生變化。相反，TDP-43的減少會產生NEAT1的較長形式，這時paraspeckle就會形成，ips細胞開始分化。Modic補充道，「這種控制系統可能是幹細胞選擇何時分化的一種通用機制。」