揭开人类早期胚胎发育的神秘面纱：耶鲁大学研究团队开发出新模型

最近在《自然》杂志上发表的一项研究向我们展示了人类着床后发育的新模型，这一阶段一直以来都很难研究。该研究由耶鲁大学发育干细胞生物学助理教授Berna Sozen博士领导的团队完成。Sozen博士在怀孕的最初几周里对自己体内正在进行的人类发育过程产生了浓厚的兴趣，尤其是因为她的实验室使用人类多能干细胞研究胚胎发生。几个月后（距离预产期仅几周），Sozen博士通过这一人类着床后发育模型为我们提供了一个全新的视角，该模型能够模拟受精后9到14天的人类胚胎，并包括胚胎和一些额外的胚外组织。这些类似人类胚胎的结构以独特于人类的空间和时间组织模式生成，使研究人员能够记录各种复杂而相互关联的细胞状态转变，以及它们在塑造早期人类胚胎过程中的作用。

这项研究的主要作者、Sozen实验室的研究生Monique Pedroza表示：“我们的模型平台捕捉到了人类发育中我们了解最少的一个特定阶段。这个阶段是未来人体的祖细胞形成和建立身体轴线的时期，也是大多数妊娠原因不明的失败发生的阶段。到目前为止，在这个阶段控制胚胎发育的基本分子机制对于基础科学和生物医学研究都具有巨大重要性。”

研究团队的成果文章在2023年5月30日被原则接受，并于6月21日正式接受发表，这是在2022年7月7日Sozen博士怀孕之前提交的。文章的加快发表是因为近两周前有一波研究团队宣布了实验室模型的早期人类胚胎的研究进展。这一波研究的浪潮始于2023年6月14日上午，在国际干细胞研究学会（ISSCR）会议上，发育生物学家Magdalena Zernicka-Goetz简要介绍了她团队的研究结果。随后，接下来的两天，几个研究团队发布了使用不同类型的人类干细胞（有些经过基因修饰）创建实验室中的着床后胚胎模型的预印本。其中，Zernicka-Goetz团队的预印本于2023年6月15日发布，他们利用转基因技术诱导了一种干细胞衍生的人类胚胎模型。同一天，匹兹堡大学的研究人员展示了他们使用“工程合成基因电路”来产生早期人类胚胎的方法。随后，2023年6月16日，中国昆明科技大学和以色列魏茨曼科学研究所的Jacob Hanna团队发布了两个预印本，报告了不使用转基因技术创建人工胚胎的方法。

Sozen博士说：“所有干细胞平台在策略和方法上各不相同。我们的系统独特之处在于它是一个还原主义的、从单一干细胞类型开始的强大平台。我们的系统以及现有和新兴的基于人类干细胞的系统都有一个共同的目标，那就是推动领域的发展，更好地理解早期人类发育。”

之后，Sozen团队展示了通过诱导成形的方式，将人类多能干细胞触发自组织成3D胚外结构，这些结构模拟了着床后胚胎中发生的早期人类发育事件。研究人员报道说，这些人工早期胚胎经历了一系列事件，包括在某一轴线上失去对称性以建立极性，也被称为破缺对称性的事件。这些胚外结构表现出胚胎外胚层和胚外生发层样细胞系的自发分化和共同发育，以及关键信号传导中心的建立。这些人工早期胚胎模型可以通过转录组学技术确认人类多能干细胞在不形成胎盘细胞类型的情况下可以分化为胚胎发生过程中的细胞状态。这些胚外结构的转录组学特征与人类和非人灵长类胚胎的特征具有显著的重叠。研究人员发现了着床后胚胎、羊膜外胚层、原始条带、中胚层、早期胚外内胚层和早期囊胚诱导等的转录组学特征。

然而，这些胚外结构的表观遗传景观与多能干细胞的状态并没有显著差异。Sozen博士表示，胚外结构细胞似乎无法捕捉到在着床期间发生的动态表观遗传事件，这可能是未来需要改进的方向之一。

这个新平台展示了在考虑到基因表达和空间模式等关键因素的情况下，探索尚未研究过的人类发育阶段的新可能性。耶鲁大学团队揭示了胚外和胚胎细胞系在协调早期人类发育中的以往未知的相互作用。这种情况发生在没有着床所需的滋养层细胞类型的情况下。

该系统为研究人类发育的基本细胞和分子机制提供了可重复、可追踪和可扩展的实验平台，包括通过高通量研究先天病理的新方法。

Pedroza表示：“我们的系统具有重要意义，因为它提供了一个平台，可以解剖我们物种发展的不可达阶段中早期命运决定的机制，从而为理解发育障碍的起源提供机会。”

这项研究为我们在早期人类发育中尚未研究的阶段提供了新的可能性，从基因表达到空间模式等多个关键因素。耶鲁大学团队揭示了胚外和胚胎细胞系在协调早期人类发育中的以往未知的相互作用，而无需子宫内滋养层细胞类型的参与。

这一系统为我们理解人类发育的基本细胞和分子机制提供了可重复、可追踪和可扩展的实验平台，也为研究先天病理提供了新的高通量方法。

编辑：王洪

排版：李丽