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【科技日报】猴子一生中“最重要时刻”首次体外重现

2019-11-06 科技日报 陆成宽
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语音播报

  英国著名发育生物学家路?#23039;埂の植?#29305;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?#20445;?#20511;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?#36951;?#20307;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?#26087;稀?/p>

  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?#25925;?#20040;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?#36873;?#21463;精卵在输卵管中经一系?#26032;?#35010;和分化形成?#36951;摺?#38543;后,?#36951;?#36801;移至子宫着床。?#36951;?#22312;子宫“安家”前后,它的部分细胞开?#23478;?#21160;、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?#36951;?#21457;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?#30422;А?#20960;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?#34892;?#30340;迁移后分化形成三个胚层”。

  发育生物学家最初?#36234;?#26500;简单的低?#20219;?#33034;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?#28982;?#26412;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?#31119;?#21644;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?#36234;?#26725;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?#40644;疲?#20294;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?#21069;?#25324;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?#38498;螅?#25152;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?#25381;心?#20307;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?#26087;?#21644;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?#31995;?#32454;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?#40644;?nbsp;有助?#19994;?#19981;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?#31185;教ǎ?#20026;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?#25945;值?#23450;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:?#26696;?#30740;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?#40644;疲?#21516;时这项技术的?#40644;?#23545;于研究人类发育和疾病发生机制有着非常重要的意义。”

  这一?#40644;?#26377;助于阐明灵长类动物的原肠胚发育的调控机理,同时促进对人类胚胎发育的?#29616;?#22914;:三胚层形成、胚胎体轴的形成、原条形成、细胞迁移趋化运动等过程的分子调控机制,以及细胞之间的相互作用,揭示高等灵长类与低等动物的差别,填补高等动物胚胎发育机制的理论空白。

  与此同时,该灵长类动物的体外原肠胚形成模型系?#36710;?#24314;立,可筛选来源于精子、卵子和宫内的致死和致畸因子;也可?#22253;?#21161;理解早期胚胎细胞分化,优化和提高辅助生殖技术,能为临床治疗不孕不育和防范出生缺陷提供基础理论指导、开拓新型治疗方法。由于原肠胚形成能分化为机体各个器官的三胚层细胞,对再生医学研究具有重要意义,如研究多能?#19978;?#32990;分化为特定的细胞类型,用于疾病模拟和?#19978;?#32990;治疗。

  (原载于《科技日报》 2019-11-06 05版)

打印 责任编辑:侯茜
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