干细胞研究再迎突破!有望回答生命早期发育之谜

发布时间: 2019-10-18 09:26:46 来源: 新浪科技综合 栏目: 科技新闻 点击:

无论你现在的身高有多高,体重有多重,几十年前,我们的生命都诞生于单个细胞。而这个细胞在几轮分裂后形成的囊胚结构,虽然细胞总量并不多(只有大约100个),却对着床、器官发育、乃至成年后的各种疾病有着潜在的影响。

来源:学术经纬

无论你现在的身高有多高,体重有多重,几十年前,我们的生命都诞生于单个细胞。而这个细胞在几轮分裂后形成的囊胚结构,虽然细胞总量并不多(只有大约100个),却对着床、器官发育、乃至成年后的各种疾病有着潜在的影响。

尽管如此重要,但在囊胚结构的研究上,科学家们却遭遇了各种瓶颈。就拿小鼠来说,在通常的情况下,每只小鼠能产生的囊胚数量极为有限。如果实验材料不足,那我们自然也就没有办法研究囊胚发育过程中可能会遇到的各种问题,从而限制了我们对这一关键结构的认知。今日,发表在《细胞》杂志上的一项研究,有望解决困扰科学家许久的难题。本研究的通讯作者是Salk研究所的知名干细胞学者Juan Carlos Izpisua Belmonte教授与德克萨斯大学西南医学中心的吴军教授,共同第一作者为李荣辉博士、钟翠青博士、以及于洋博士。

具体来看,这支研究团队使用小鼠的胚胎细胞或成熟细胞,分化出了一种叫做“潜能扩展多能干细胞”(extended pluripotent stem cells,缩写EPS细胞)的特殊干细胞。几年前的一篇《细胞》论文指出,这类干细胞几乎能发育成小鼠胚胎的所有细胞类型,有着很高的应用价值。

▲EPS细胞可以发育成小鼠胚胎的多种细胞类型(上);在特殊的分化系统中,它也能形成类囊胚的结构(下)(图片来源:参考资料[1])

▲EPS细胞可以发育成小鼠胚胎的多种细胞类型(上);在特殊的分化系统中,它也能形成类囊胚的结构(下)(图片来源:参考资料[1])

随后,这些研究人员们开发了一种3D分化系统。在特殊的培养环境下,一小组细胞之间会很快形成联系,并开始形成类似囊胚的结构(研究人员将其称为EPS-blastoids)。这些形成联系的细胞会慢慢发育成一个球形,并可以看到具有内外两层结构。其中,外部一层细胞的转录调控蛋白YAP开始激活。我们知道,在正常发育过程中,YAP诱导表达的蛋白,会促进胎盘的发育。

▲利用不同的标记,我们可以看到类囊胚里有两层结构(图片来源:Salk Institute)

▲利用不同的标记,我们可以看到类囊胚里有两层结构(图片来源:Salk Institute)

自然产生的囊胚具有三种不同的细胞类型。通过单细胞RNA测序分析的方法,研究人员们发现,由干细胞诱导分化产生的类囊胚结构中,同样含有所有三种细胞谱系,且它们的转录水平与正常的囊胚很类似。

“类囊胚结构的形成模拟了自然发育的过程。”本文的共同一作之一李荣辉博士在Salk研究所的新闻稿中说道。“对于研究哺乳动物的早期发育而言,这会是非常有力的资源。”同样是共同一作的钟翠青博士补充道。

 ▲李荣辉博士(左)、Juan Carlos Izpisua Belmonte教授(中)、以及钟翠青博士(右)(图片来源:Salk Institute)

▲李荣辉博士(左)、Juan Carlos Izpisua Belmonte教授(中)、以及钟翠青博士(右)(图片来源:Salk Institute)

在另一项实验中,一些类囊胚结构可以顺利着床,并诱导子宫内膜的蜕膜化。不过它并不会发育成真正的胚胎。相反,它在着床后形成的组织,其结构还较为无序。不过研究人员们指出,这依旧会给胚胎发育带来足够的洞见。

将来,研究团队计划使用基因编辑工具,了解不同的基因变化,会如何影响囊胚三种细胞谱系的发育。此外,我们也可以使用这一模型来测试不同的药物和其他化学物质对胚胎早期发育的影响。

▲本研究的图示(图片来源:参考资料[1])

▲本研究的图示(图片来源:参考资料[1])

“这些研究能让我们更好地理解生命早期的过程,让我们知道生命早期的单个细胞如何产生数百万的细胞,这些细胞又是如何在时空上正确组合,发育成一个完整的生物,”本研究的负责人之一Izpisua Belmonte教授说道:“重要的是,这项工作能让我们避免使用自然的胚胎,并可以扩大研究规模。”

“著名的物理学家费曼说过,‘我不能理解自己不能创造的东西’。生命如何从一个受精卵开始发育,依然是一个谜题。我们的类囊胚方法能够帮助研究人员们获取这一过程的全新洞见。”另一位负责人吴军教授说道。

综合来看,本研究表明我们能够通过诱导,将成熟细胞变为类似于囊胚的结构。这为研究早期胚胎发育带来了独特而宝贵的平台,对未来的探索有着重要价值。

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