Nature | 胚胎幹細胞懸浮培養首次構建體外類囊胚

2020-11-27 中國生物技術信息網

哺乳動物的發育起源於受精卵，受精卵通過分裂，經歷了2-cell、4-cell、8-cell、桑葚胚（Morula）再到囊胚（Blastocyst）階段，稱之為著床前胚胎（pre-implantation）。隨後胚胎植入子宮壁，誘導子宮內膜蛻膜化（decidualization）預示著成功著床（implantation）。著床後胚胎通過原腸作用形成外胚層/內胚層和中胚層，不同胚層細胞相互作用，為胚胎形成結構複雜的器官奠定基礎。

複雜的生命歷程有著複雜的分子調節機制，為了研究這些複雜的科學問題， 科研人員研發了 體外培養體系 。類器官（Organoids）的出現，為研究器官形成和人類疾病發生等問題，打開了新的篇章。目前，類器官模型已經成功應用於許多器官模型的建立，如腦、肝、腎等。類器官模型在研究疾病發生和藥物篩選方面發揮著重要的作用。

人工培育胚胎作為胚胎研究的類器官一直受到科學家的廣泛關注：2016年，研究人員成功分離和培養了攜帶正常單倍染色體組型的人類胚胎幹細胞系，為功能基因的篩選提供了平臺【1】；隨後，人類胚胎的體外培養突破了9天的記錄，達到13天，這一成果有助於揭示人類胚胎發育過程中從未見過的特性【2】；2017年，科學家們利用CRISPR技術，成功培育出人-豬嵌合體胚胎【3】；此後劍橋大學Sarah等人首次在體外合成人造小鼠胚胎，類原腸胚結構第一次實現了胚胎體外的構建【4】。 利用胚胎幹細胞誘導人工培育胚胎，不僅有利於了解早期胚胎發育的分子機制，而且能夠幫助解釋人類妊娠失敗的原因。

5月3日，荷蘭馬斯垂克大學的Nicolas等人在Nature雜誌上發表了題為Blastocyst-like structures generated solely from stem cell的研究成果，該研究實現了類囊胚（Blastoids）結構的胚胎體外構建，把胚胎體外構建時間向前推移了一大步。

該研究利用胚胎幹細胞（ESC）和胚外滋養層幹細胞（TSC）培育出類似於囊胚的結構，稱之為「類囊胚」。研究發現，ESC與TSC的比例影響類囊胚的形成率，並在培育65h後與E3.5的正常胚胎直徑大小相似，而且類囊胚腔的形成依賴於WNT和cAMP信號通路的激活【5,6】。

通過對類囊胚與正常胚胎轉錄因子的分析，發現類囊胚與正常囊胚相似，具有分化成胚胎幹細胞，胚外滋養層幹細胞和原始胚內幹細胞的潛能。將類囊胚移植到假孕的小鼠體內，可以觸發類似於胚胎植入子宮壁時發生的重塑事件，如子宮內膜蛻膜化以及與母體血管網絡的建立，並表達Aldh3a1（在子宮內膜蛻膜化過程中由著床胚胎表達）【7】。

轉錄組學分析發現，類囊胚與E3.5正常胚胎相似，並且只有當胚內細胞發出信號誘導滋養層發育時，才能夠誘導類囊胚的形成。單細胞轉錄組學分析揭示了大量的胚胎誘導物，如內細胞團（ICM）來源的FGF4與同時存在於胚內和胚外的IL-11共同夠調控滋養層細胞的增殖與自我更新，以及滋養層細胞（TE）特異marker Cdx2的表達。

研究還發現TGFβ信號通路的activator BMP4和Nodal參與囊胚腔的形成與擴張並且調節滋養層上皮細胞的組成。 此外，BMP4和Nodal都可以上調轉錄因子Klf6的表達。通過Klf6敲除的滋養層幹細胞研究發現，Klf6是BMP4和Nodal的重要靶基因並且介導了它們對滋養外胚層上皮細胞形成的調節。所以胚內細胞通過BMP4/Nodal-KIF6軸來控制滋養層上皮細胞的成熟以及形態的發生。

在正常發育中，滋養層會繼續形成胎盤，該模型通過懸浮培養形成類似於囊胚的結構，並通過該類囊胚結構研究了胚內細胞和胚外細胞相互作用的分子機制。這些發現將有助於闡明胚內細胞和胚外細胞如何影響胚胎著床的發生和胚盤功能的建立，一定程度上有助於解釋妊娠為什麼會失敗。該研究還是幹細胞研究領域的一個重大突破，將推動在動物體內培育出可供移植的類器官。

參考文獻

1. Sagi, I., et al., Derivation and differentiation of haploid human embryonic stem cells. Nature, 2016. 532(7597): p. 107-11.

2. Deglincerti, A., et al., Self-organization of the in vitro attached human embryo. Nature, 2016. 533(7602): p. 251-4.

3. Wu, J., et al., Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells. Cell, 2017. 168(3): p. 473-486 e15.

4. Ying, W., et al., Adipose Tissue Macrophage-Derived Exosomal miRNAs Can Modulate In Vivo and In Vitro Insulin Sensitivity. Cell, 2017. 171(2): p. 372-384 e12.

5. Manejwala, F., E. Kaji, and R.M. Schultz, Development of activatable adenylate cyclase in the preimplantation mouse embryo and a role for cyclic AMP in blastocoel formation. Cell, 1986. 46(1): p. 95-103.

6. Kemp, C., et al., Expression of all Wnt genes and their secreted antagonists during mouse blastocyst and postimplantation development. Developmental Dynamics, 2005. 233(3): p. 1064-1075.

7. McConaha, M.E., et al., Microarray assessment of the influence of the conceptus on gene expression in the mouse uterus during decidualization. Reproduction, 2011. 141(4): p. 511-27.

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