Nature突破丨类原肠胚——迈出体外三维模拟人体发育的第一步

撰文 | 咸姐

责编 | 兮

分别生长24h、48h、72h的 “类原肠胚”（gastruloid）三维结构。Credit: Naomi Moris

最初的最初，我们所有人，都只是一小团细胞，通过自行折叠形成具有前后端的三层结构——原肠胚，这个过程被称做“原肠胚形成”，之后，各胚层继续形成身体的不同组织系统：外胚层形成神经系统，中胚层形成肌肉，内胚层形成肠道【1】。经过一系列连续的细胞命运决定和形态发生事件的相互作用，最终长成现在这个正在看文章的我们。

原肠胚形成通常被称为人类发育的“黑匣子”时期，因为法律明令禁止在实验室中培养人类胚胎超过14天，即“第14天规则”【2】。在此之前，胚胎还可以分裂成两个，为产生双胞胎做准备，但从第14天开始，原肠胚形成的过程就开始了。许多出生缺陷都起源于这个“黑匣子”时期，原因包括酒精、药物、化学物质、感染等等。更好地理解人类原肠胚形成过程将有助于揭示许多医学问题，如不孕、流产、遗传疾病等。

然而，由于“第14天规则”的限制，早期对人类胚胎原肠胚形成过程的认识大部分是建立在各种学术和医疗机构收集的胚胎的解剖学研究基础上的。而在这些标本中，很少有处于发育早期阶段的标本，这导致人们对人类原肠胚形成过程的理解存在知识空白。尽管近些年来，包括小鼠和斑马鱼在内的模式生物开始帮助科学家们对人类原肠胚形成过程有了一些了解，但是这些动物的胚胎和人类胚胎有着很大的不同，尤其是当细胞开始分化时。此外，动物模型对某些药物的反应也可能与人类不同，例如抗孕吐药物沙利度胺（商品名：反应停）在小鼠身上测试后通过了临床试验，但随后却导致了人类严重的出生缺陷。因此，定制更好的人类发育模型是非常重要的、也是迫在眉睫的事情。

人类 “类原肠胚”（gastruloid）三维结构。Credit: Naomi Moris

2020年6月11日，来自英国剑桥大学的Alfonso Martinez Arias研究团队在Nature上在线发表题为An in vitro model for early anteroposterior organization during human development的文章，首次利用人类胚胎干细胞构成 “类原肠胚”（gastruloid）三维结构，其可以分化形成时空组织的三胚层衍生物，产生前后端，再现人类早期发育的关键事件，为人类正常发育的研究提供了新的关键模型，标志着科学家们向体外三维模拟人体发育迈出的第一步！

为了在实验室中培养类原肠胚，研究人员将确定数量的经过Chiron（WNT激动剂）处理的人胚胎干细胞（ES）放入低粘附培养板中，在数小时内即形成紧密的球形聚集体。在Chiron的存在下，类原肠胚沿着头到尾轴（即前后轴）延长，并沿着该轴启动了与正常胚胎一样的特定模式的基因表达（图1）。

图1 类原肠胚的形态和基因表达

进一步地，研究人员使用报告系统（RUES2-GLR13）来鉴定表达中胚层（BRA）、内胚层（SOX17）和神经外胚层（SOX2）标记基因的细胞，并追踪到类原肠胚产生三胚层衍生物的过程（图2）。此外，研究人员发现，Nodal和WNT信号通路之间的平衡在决定细胞命运和促进人源类原肠胚延伸方面起着一定的作用。当给予类原肠胚维甲酸（可以破坏前后轴模式而引起先天畸形）时，类原肠胚的轴向模式和组织基因表达出现异常。由此也表明，在类原肠胚发育之前和发育过程中，信号环境是建立人源类原肠胚形态和模式的关键因素。

图2 类原肠胚形成三胚层衍生物的动态图

随后，为了研究人源类原肠胚的转录复杂度，研究人员对经过Chiron预处理的72小时的类原肠胚进行了全基因组RNA断层扫描测序（tomo-seq，一种应用于全胚胎和解剖器官的空间分辨转录组学的精确和灵敏的测序方法），鉴定出1023个基因，这些基因被分为22类代表所有三个胚层的主要表达模式。其中有6类位于类原肠胚的后部，这些基因与小鼠胚胎尾部定位的基因同源；9类位于前部，主要包括在小鼠胚胎中与心脏和前内胚层发育相关的基因；而第21类则富集了与体节发生和Notch信号通路相关的基因，而这些体节发生特征显示，3天大的人源类原肠胚表现出了卡内基分期第9期（19-21天）的胚胎的一些关键特征。这个基因表达的整体模式表明该类原肠胚反映了人体发育的各个要素（除了没有发现与前神经结构发育相关的基因表达），并且其是通过利用沿其前后轴组织的分子信号梯度来建立这种模式的。在人源类原肠胚中的这些信号分子的空间分布活动以及随后的模式建立都可能反映了哺乳动物胚胎的活动。

那么人源类原肠胚的这些有组织性的基因表达模式与现有的其他发育模型有什么关系呢？与鼠源类原肠胚的tomo-seq结果相比，两者的轴向模式存在高度的保守性，同时研究人员还观察到中胚层沿类原肠胚前后轴分化的保守模式。这也再一次证实人源类原肠胚的基因表达的整体模式反映了哺乳动物胚胎中旁轴中胚层分化的组织结构，以及人类胚胎干细胞中体节发生的时间顺序。当然，除了这些保守模式，研究人员也发现了两种模型中基因表达的区域差异，从而证实了在类原肠胚模型中可能发生的物种特异性调控。

综上所述，本文描述了一种利用人类胚胎干细胞形成称为类原肠胚的三维结构，其可以以类似于人体早期发育的组织模式分化形成三胚层，为揭示和研究人体发育早期特定的调节过程提供了一个实验性的可操控性的模型系统。未来，人源类原肠胚的利用将提高我们对正常人类发育过程的理解，并有利于检测发育过程中出现的问题——包括模拟由基因突变和环境污染引起的疾病。同时，由于其可以在体外大量培养，因此有可能将其用于药物筛选等多种用途。

值得一提的是，作者强调，类原肠胚不是“类器官”，因为类器官只代表了单一器官（或其中的部分），而类原肠胚包括多种组织的前体细胞和许多器官的早期原基。在类原肠胚中，这些前体以类似于胚胎的方式彼此相对地组织。与此同时，类原肠胚也不是拟胚体（Embryoid Bodies，在促进多能干细胞向多系分化方面已有多年的研究历史），因为拟胚体中出现的不同细胞类型通常是无序的，不能代表胚胎的组织结构。

最后，还必须要强调的一点是，类原肠胚不是胚胎，也不可能发展成为胚胎！作为模型，类原肠胚是一个简化的系统，可以模拟胚胎发育的某些方面，以便于进一步研究。模型，就是现实的简化代表，是用来探索复杂系统的特性和行为的。就好像飞行模拟器，是一种非常复杂的飞机模型，但它不是飞机——它不会飞行，也不能载人或载物，但是，它还是让我们学到了很多关于如何驾驶飞机以及如何通过模拟来解决实际飞行中可能出现的许多问题的知识。同样的，虽然类原肠胚具有胚胎的许多特征，但是其缺乏形成大脑的潜能，也缺乏让胚胎植入子宫所必需的细胞，这意味着类原肠胚不能被植入子宫，自然也无法在发育过程中走得更远。与此同时，它们缺乏早期人类胚胎的形态，不表现出人类的组织形态。因此，人源类原肠胚是符合伦理标准的，它完全可以使我们能够在不使用胚胎的情况下研究发育的机制和本质。

论文关键作者：Alfonso Martinez Arias and Naomi Moris. Credit: University of Cambridge.

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2383-9

制版人：Kira

参考文献

1. Solnica-Krezel, L. & Sepich, D. S. Gastrulation: making and shaping germ layers.Annu. Rev. Cell Dev. Biol.28, 687–717 (2012).

2. Hyun, I., Wilkerson, A. & Johnston, J. Embryology policy: revisit the 14-day rule.Nature533, 169–171 (2016).