基於單細胞測序，張鵾團隊揭示畸胎瘤作為早期胚胎發育模型的潛力

2020-11-11 測序中國

人類早期胚胎發育一直是科學家研究探索的一個重點領域。人類等哺乳動物的生命起始於受精卵，經過複雜的早期胚胎發育後，形成一個含有上百種細胞類型、多種器官的複雜有機體。目前，科學家對於人類早期胚胎發育的研究主要使用各種動物模型。但這些模型通常局限於特定的細胞譜系，且不同物種的發育過程具有保守性以及物種特異性，為早期胚胎發育研究帶來了限制。

畸胎瘤是生殖細胞腫瘤中常見的一種，分為良性畸胎瘤和惡性畸胎瘤。其中，良性畸胎瘤裡含有很多種組織，包括皮膚、毛髮、牙齒、骨骼、油脂、神經組織等。基於此，科學家認為畸胎瘤或具備研究早期胚胎發育的潛力。

文章發表在Cell上

近日，加州大學聖地牙哥分校張鵾教授與Prashant Mali教授團隊合作發表了關於畸胎瘤作為早期胚胎發育模型的研究成果。研究團隊利用高通量單細胞測序技術對畸胎瘤進行了全面分析，並利用CRISPR-Cas9對其進行基因編輯。發現畸胎瘤在研究早期胚胎發育的多種細胞類型方面具有明顯的優勢，揭示了畸胎瘤作為人體細胞發育分化模型的潛能。11月4日，該研究成果發表在Cell上，文章題為「Defining the Teratoma as a Model for Multi-lineage Human Development」。

在科學研究中，畸胎瘤通常是將人體多能幹細胞注射到免疫缺陷小鼠中形成。但由於畸胎瘤的生長隨機性很強，經常是多種譜系細胞混合在一起。為避免細胞類型分析混淆，張鵾教授及合作者設想通過單細胞測序技術對畸胎瘤進行分析，再通過CRISPR技術控制基因表達，優化畸胎瘤模型的構建，使其更適用於人類早期胚胎發育研究。

首先，研究團隊將人體胚胎幹細胞注射到免疫缺陷小鼠中形成畸胎瘤，並進行單細胞測序分析。該研究共對來自4個細胞系23個畸胎瘤的179,632個細胞進行了單細胞RNA測序（RNA-seq）。結果顯示，畸胎瘤在3個胚層中可包含約20種細胞類型。將發現的細胞類型與小鼠早期器官細胞圖譜進行對比，發現兩者具有較高的相似性，證明畸胎瘤具備作為早期胚胎發育模型的潛能。

研究概要圖，來源：Cell

此外，該研究發現，畸胎瘤間細胞類型的異質性可與類器官系統相媲美，同時畸胎瘤中的腸和腦細胞類型與類似的胎兒細胞類型非常吻合。研究人員在分析使用不同來源幹細胞所構建的畸胎瘤後發現，不同來源的畸胎瘤都包含了主要的細胞類型，但各細胞類型的結構比例、畸胎瘤生長速度等存在一定差異。

為了確定注射的人體幹細胞在畸胎瘤形成過程中是否具有譜系偏好性，研究團隊利用細胞條形碼技術進行了驗證。結果顯示，約有20%的幹細胞參與了畸胎瘤的形成，並且視網膜的上皮細胞具有很強的偏好性。視網膜上皮細胞的比例在不同的畸胎瘤中差異較大，表明其形成具有較高的隨機性。同時，研究團隊還表徵了畸胎瘤中各譜系細胞所對應的胚胎發育時期及其空間分布。

值得關注的是，研究團隊還利用CRISPR-Cas9技術進行了基因敲除試驗。研究人員選擇了24個與胚胎發育密切相關的基因進行敲除分析，結果發現，與對照組相比，敲除特定基因的誘導多能幹細胞形成的畸胎瘤，其細胞類型及比例上都出現了一定的變化。此外，畸胎瘤能夠用於同時檢測所有胚層遺傳變化的影響。

張鵾教授等發表在Cell的該最新研究不僅揭示了畸胎瘤作為人類早期胚胎發育模型的潛力，並可通過CRISPR技術篩選設計各譜系細胞發育的關鍵調控基因。同時，也為人類胚胎發育研究提供了新的研究思路和方法，有助於探索人類早期胚胎發育過程及相關基因調控。

參考資料：

1.Defining the Teratoma as a Model for Multi-lineage Human Development. Cell, November 04, 2020. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.10.018

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