早期胚胎发育研究论文

2021年4月8日  星期四    晴 北京时间2021年3月18日凌晨，美国德州大学西南医学中心吴军课题组在《自然》（Nature）杂志在线发表论文，成功用人多能性干细胞分化诱导出人类早期胚胎样结构（Blastoid，类囊胚）。 该结构与人囊胚期胚胎（Blastocyst）具有类似的结构，囊胚期是胚胎着床前的最后一个时期，此后胚胎将附着于母体子宫壁上进行后续的发育。类囊胚能正确地表达相应的基因与蛋白，并且可以在体外发育2-4天，形成类羊膜囊等结构。 研究者使用了一种3D培养系统，通过对不同细胞信号通路的调控，令20～30个人类原始多能性干细胞进行分化及自我组装，可在约7～9天的时间内成功构建出囊胚样结构。其在形态上（直径，细胞数等），以及各种关键蛋白的表达水平上皆与真正的人类囊胚极为相似。 通过单细胞RNA测序技术对其进行分析，并和囊胚期人类胚胎数据进行比较，结果发现在人类胚胎样结构中，有部分细胞和人类囊胚期胚胎中相应细胞在转录组水平高度一致。 由于人类胚胎材料本身的稀缺性以及国际社会对于人类胚胎研究的14天期限，14天内的人类胚胎还未分化出神经结构：原条，尚不具备人的特征，不涉及伦理问题。出现伦理学上14天规则的原因，是当时人们认为人类无论如何都不可以充当“造物主”，也没有资格像“上帝”或那样创造生命，破坏自然界的平衡。 而人类胚胎发育“黑匣子”时期恰恰就是受精后14天到28天，这个时期是细胞被分配到主要的组织，并形成身体的基本结构。 随着试管婴儿技术出现，数百万有生育困难的家庭因此圆梦。40多年来，试管婴儿技术越来越成熟，但依然有很多问题导致试管婴儿失败，全球范围内，试管婴儿成功率不到50%，正是这个“黑匣子”时期时期，先天异常、移植失败、胚胎停育等常常发生，通过深入研究胚胎的早期发育，我们将更加了解一些人类早期重大疾病造成的复发性流产、畸形儿、女性受孕障碍等，并寻找可行的解决方案。 而人工胚胎很好地解决了这两个问题。首先，人工胚胎可以大量产生类囊胚结构，用于批量研究，为科学家提供了直接的分子、细胞、动力学数据；其次，人工胚胎由于跟正常受精产生的胚胎不同，是一种结构，更容易获得伦理方面的批准，支持其获得超越14天期限研究。 此外，人造胚胎还可以建立药物筛选模型，通过筛选对早期胚胎发育致畸的药物，为进入临床应用的孕妇药品提供安全性模拟检测。这比在人体或者动物身上做实验强多了。 当然，这只是人工胚胎的第一步，胚胎样结构的合成全程都在体外培养皿中完成，这与真正的母体内环境千差万别，其功能性与真正的生命体依旧有很大的区别，所以其并不是真正的胚胎，但是这种类囊胚的确在某些方面具有与人类胚胎相似的特性。通过对它的研究，后续能为科学家了解早期人类胚胎发育过程、以及早期发育相关疾病提供重要的线索。 除了人工胚胎外，也有动物替代方案。据最新一期《自然》杂志报道，以色列科学家在人造子宫环境中，让多个胚胎发育成具有完整器官的小鼠胎儿。该研究进展据称有望为子宫外孕育人类铺平道路。 新发表的研究从仅由干细胞组成的胚胎开始，研究人员从母鼠体内将只有5天由250个细胞组成的胚胎取出，然后置入人造子宫环境中，他们观看到小鼠器官在他们眼前迅速长大。第11天时（即取出6天后），胚胎已出现所有的器官，能自己造血，心脏有跳动，大脑发育完全，显然是具有小鼠所有特征的胎儿，也就是说胚胎已经从细胞球变成了高级胎儿。简直是太神奇了！ 尽管小鼠胎儿处于健康状况，但在第11天则死去（通常小鼠妊娠期为19至21天）。截至目前，小鼠胚胎在人造子宫中发育的最长时间为6天，研究人员还无法将胚胎或胎儿移植回母鼠子宫。在实验室的研究中，小鼠胚胎成功地完成了胚胎发育的第一阶段，胚胎在此过程中生长了10倍。 他们之所以成功的关键是利用干细胞研究中的一些细胞培养剂或生物力学原理，开发出特殊的胚胎发育培养系统，为其子宫外发展创造了所有合适的条件。这就是子宫外培养基，其中包括大鼠血清，还有人脐带血清等，这些特殊液体为胚胎提供了所需的所有营养成分、激素和糖分。当然还要供氧，保持培养基内的气压、PH值维持在一个合适的、稳定的状态。 不过第11天胚胎开始出现异常，卵黄囊剥脱，心包积液并迅速死亡，这是因为子宫外的氧气和营养供应不足，缺乏母体血液供应，满足不了第11天胚胎的发育。 这个研究证实子宫外的胚胎是可以代替子宫内发育的胚胎，这种培养系统可以在子宫外持续6天，并可以经受多种胚胎期的干扰和显微操作。以后可以把人造类囊胚放在这个子宫外培养系统里生长，拿到和人类更接近的数据。 虽然子宫外培养基暂时无法支持到胚胎发育到成熟，但将来很有可能实现胚胎全程宫外发育生长，不需要再移植回母体子宫，也就是说我们的试管婴儿将来就是名副其实的胚胎在试管内发育成熟的新生儿，这将会让许多因子宫因素而无法生育的女性无需代孕妈妈就能够拥有自己的孩子，让许多不孕患者看到了希望。 人造类囊胚、子宫外培养系统在一些保守的人眼里认为是人造人的产物，它代替了所谓“上帝”的伟大作用，是邪恶的、可怕的，但是，它却可以给患者带来希望和福音，给人类的延续提供了另一种科学的途径，科学只是人们手中的工具，把它用好了就可以造福人类，为什么要把它妖魔化呢？

猴子的一生要经历哪些生命过程?英国著名发育生物学家路易斯·沃伯特曾说：“人一生最重要的时刻不是出生、结婚和死亡，而是原肠运动。”来自中国科学院动物研究所等单位的研究人员，借助该团队深耕多年建立的非人灵长类动物胚胎体外培养系统，将食蟹猴囊胚体外培养至原肠运动出现，并进一步发育至受精后20天，体外重现非人灵长类动物胚胎原肠运动。该研究为了解灵长类动物早期胚胎发育过程奠定了重要的研究基础，重现了猴子一生中“最重要的时刻”。相关研究成果于近日在线发表于《科学》杂志上。一个古老的研究领域 原肠运动神秘面纱被逐渐揭开那么，究竟什么是原肠运动呢？说来话长，早期胚胎发育关乎生命本源，一直是生物学研究的热点和难点。哺乳动物交配后，精子和卵子结合，形成受精卵。受精卵在输卵管中经一系列卵裂和分化形成囊胚。随后，囊胚迁移至子宫着床。囊胚在子宫“安家”前后，它的部分细胞开始移动、重排和分化，启动原肠运动，形成内、中、外三个胚层，也就是原肠胚。从囊胚发育到原肠胚的过程，就是原肠运动。“原肠运动是早期胚胎发育最特殊的阶段，细胞会从几百个直接增加到几千、几万个。”中国科学院院士、动物所所长周琪说道。原肠运动作为胚胎发育最重要事件之一，是一个古老而神秘的研究领域。早期的发育生物学家们对原肠运动的阐述各不相同，直到上世纪五六十年代，原肠运动才有了较为统一的定义，即“细胞经有序的迁移后分化形成三个胚层”。发育生物学家最初以结构简单的低等无脊椎动物，如海绵、水母、海胆、线虫和果蝇等来研究原肠运动，揭示了该过程中细胞运动、细胞极化、细胞连接和细胞间通讯等基本细胞生物学事件；继而采用高等脊椎动物，如鱼类（斑马鱼）、两栖类（非洲爪蟾）和哺乳类（小鼠）等为模型探索原肠运动，原肠运动发生机制的神秘面纱被逐渐揭开。2016年，来自剑桥的研究团队建立了小鼠着床后胚胎的体外培养体系，观察到了体外培养的小鼠胚胎前后轴的形成和卵圆柱形态发生，这一体系为阐明早期着床后胚胎发育和原肠胚发生提供了重要实验手段。尽管小鼠胚胎体外培养系统取得很大的突破，但即使同为哺乳动物的啮齿类动物，其早期胚胎也与灵长类动物存在显著不同。比如，小鼠胚胎着床后上胚层形成杯状结构，而灵长类动物胚胎则形成双层胚盘状结构。因此，很难将小鼠有关原肠运动的研究结果直接推演到人类等灵长类动物。胚胎发育的“高光时刻” 可避免人类胚胎培养14天伦理限制原肠运动是包括人类在内的灵长类动物发育过程中的里程碑事件。“早期胚胎发育和原肠运动发生异常往往导致妊娠失败和出生后器官缺陷等重大疾病。”论文通讯作者、中国科学院动物所研究员王红梅说。然而，由于伦理限制，体外人类胚胎培养不能超过受精后14天，但灵长类动物原肠运动多发生在受精14天以后，所以生物学家一直对人类原肠运动“这一高光时刻”一无所知。揭开原肠运动的神秘面纱，模式动物的应用对于人类认识原肠运动将发挥不可替代的重要作用。由于同人类遗传与进化较为接近，食蟹猴被研究人员选为模式动物，避免了人类胚胎培养14天的伦理限制。在项目开展中，研究人员研究建立了一个新的体外培养体系，能够支持食蟹猴的胚胎在受精后体外发育长达20天，首次证明灵长类动物胚胎可以在没有母体支撑的情况下体外发育至原肠运动，并重现了灵长类动物早期胚胎发育的几个关键事件。研究人员从形态学、标记分子染色和单细胞转录组等多个角度提供了充分的证据，证明体外发育的食蟹猴胚胎高度重现体内胚胎发育过程，包括形成清晰的羊膜腔以及卵黄囊结构，之后发生原肠运动，形成原条结构，同时伴随前后轴结构的差异分化。在体外培养胚胎发育的第12—16天还能观察到原始生殖细胞，这些特征是之前人类胚胎体外培养所未观察到的。结合单细胞转录组测序分析，这项研究第一次提供了灵长类动物早期胚胎发育过程中羊膜细胞的基因表达特征，并重新定义了灵长类动物早期胚胎多种细胞类型。生殖医学领域一项重大突破 有助找到不良妊娠及胎儿畸形原因在王红梅看来，该研究对探索灵长类动物早期胚胎发育和原肠运动开辟了崭新研究平台，为人类早期胚胎发育异常等重大疾病的临床药物研发和再生医学的发展提供了潜在的新工具，为人类深入认识胚胎发育机制和体外孕育生命（非人）探索提供了重要数据。中国工程院院士、北京大学第三医院院长乔杰在对这项研究进行点评时表示，猴子被认为是研究人类生理学和病理学的可靠动物模型，其植入后发育的体外培养体系的建立，为研究灵长类动物的植入后胚胎发育的过程提供了平台，将大大提高我们对灵长类和人类早期胚胎发育的认识及相关疾病的了解，特别是为不良妊娠及胎儿畸形病因的探讨奠定了很好的基础。南京医科大学生殖医学国家重点实验室教授沙家豪也认为：“该研究利用胚胎体外培养技术，成功解析了灵长类早期原肠发生这一重要事件，是生殖医学领域一项重大的科研突破，同时这项技术的突破对于研究人类发育和疾病发生机制有着非常重要的意义。”

众所周知，双胞胎可以分为两种：同卵双生或异卵双生。同卵双生的双胞胎，是由同一个受精卵分裂而来，理论上遗传物质是一致的，性别当然也必然一致；而异卵双生的双胞胎，是由不同的精子和卵子分别发育而来，跟普通的兄弟姐妹并无区别。

对于同卵双生的双胞胎，他们的遗传物质相同，或者是他们的遗传学差异极小，但是实际上，我们日常生活中也可以观察到，同卵双生的双胞胎的生理或行为也存在比较明显的差异，之前一直认为这种差异是由环境因素导致的。

但是，包括自闭症在内的一些发育障碍，有时候会出现同卵双胞胎中的一人得而一人未得，这是否说明我们之前一直低估了同卵双胞胎之间的遗传学差异？

2020年1月8日，冰岛deCODE公司、冰岛大学的研究人员在 Nature 子刊 Nature Genetics 杂志发表了题为：Differences between germline genomes of monozygotic twins （同卵双胞胎种系基因组的差异）的研究论文。

这项研究发现，同卵双胞胎在胚胎发育早期就开始存在基因差异，在大约15%的同卵双胞胎中，有大量的这些早期发育突变仅存在于双胞胎的其中一个。这些结果表明，在发育过程中细胞的分配决定了同卵双胞胎之间的基因组差异。

同卵双胞胎来自一个单合子，这个合子是一个精子让一个卵子受精后形成的。长久以来，我们一直认为同卵双胞胎的遗传物质应该是相同的。然而，胚胎发育过程中的细胞分裂会导致变异，这也使得同卵双胞胎的遗传物质也会有所差异。

更关键的是，很少有研究描述这些双胞胎之间的基因组差异。因此，在此之前，科学家们对同卵双胞胎基因组之间的平均差异数量知之甚少，更不用说导致这些差异的突变类型和它们发生的时间。

在此项研究中，研究人员通过比较体细胞组织的序列变异，包括1个脂肪样本、204个口腔样本和563个血液样本，以此估计387对同卵双胞胎（381对双胞胎；2组三胞胎）中不一致的合子后突变数量。

不仅如此，研究团队还对这些同卵双胞胎的父母、配偶和子女的基因组进行了测序，从而追踪同卵双胞胎中变异的趋异性。研究人员发现，双胞胎之间平均相差个早期发育突变。在大约15%的双胞胎中，其中一人携带的这些突变数量较高，而另一人没有这些突变。

pre-PGCs突变分类与三重突变（trio mutations）

我们通常我认为同卵双胞胎之间的遗传学差异很小，因此他们之间的存在的生理或行为差异通常被归因于环境因素。但对于一些特殊的遗传相关的疾病，例如自闭症，有时同卵双胞胎中仅有一人会患病，另一人却表现正常。

这些现象表明，同卵双胞胎在胚胎发育过程中，也可能发生不同基因突变，而这些遗传因素的变化会导致两者表现出完全不同的表型。

早期胚胎发育过程中同卵双胞胎的细胞系分配不均一导致两者的遗传差异

对此，研究人员解释这可能是早期胚胎发育过程中孪生子的细胞系分配不均一导致的，即细胞谱系对内细胞团的不平等贡献可能在双胞胎细胞群之间产生不同的等位基因频率（VAF）差异。简单而言，一个发生突变的单一细胞系可能仅存在于同卵双胞胎的一个，而同样的细胞系却不存在于他的孪生兄弟中。

传给子代的突变数和pre-PGCs突变的VAF

除此之外，研究团队还发现，传递率与体细胞等位基因频率（VAF）之间的比例关系表明，细胞谱系向生殖系的分配主要受其在胚胎发育中的频率所驱动。这表明原始生殖细胞（PGCs）前突变的VAF在所有人体组织中是相似的，主要受取样变化的影响。

这一研究结果表明，人类早期胚胎发育过程中对细胞谱系的随机选择是造成双胞胎基因组差异的主要原因。

人类早期胚胎发育中的细胞系分配

总而言之，这项研究描述了同卵双胞胎之间的基因组差异，并探究了导致这些差异的突变类型和它们发生的时间。其研究结果表明发育过程中细胞的分配决定了同卵双胞胎之间的基因组差异。