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中科院團隊合作首次在體外重現非人靈長類動物胚胎原腸運動的發生
2019-11-04 來源:哺乳動物胚胎發育學科組 作者:
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  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。哺乳动物胚胎在输卵管中经一系列卵裂和分化形成囊胚。随后,囊胚迁移至子宫进行着床。着床前后,胚胎中部分细胞开始移动、重排和分化,启动原肠运动(Gastrulation),形成内、中、外三个胚层,为胚胎体轴建立和器官发育奠定基础。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。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”。  

  受限于伦理和研究技术等,灵长类动物胚胎原肠运动的研究非常有限。着床后胚胎发育对母体的依赖程度仍不清楚。2019年10月31日,Science杂志以“Research article”形式在线发表的一项体外重现非人灵长类动物胚胎原肠发生的工作,为研究灵长类动物早期胚胎发育过程建立了重要的研究基础。这项研究是中国科学院动物研究所和中国科学院干细胞与再生医学创新研究院王红梅课题组和李磊课题组与中國科學院昆明動物研究所、中科院动物进化与遗传前沿交叉卓越创新中心郑萍课题组共同合作的研究工作:“In vitro culture of cynomolgus monkey embryos beyond early gastrulation”。该研究中,作者借助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。本研究从形态学、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包括原肠运动在内的多个重要事件;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,并重新定义了多种灵长类动物早期胚胎细胞类型。 

  原腸運動作爲胚胎發育最重要事件之一,是一個古老而神秘的研究領域。早期的發育生物學家們對原腸運動的闡述各不相同,直到上世紀五六十年代,原腸運動才有了較爲統一的定義,即“細胞經有序的遷移後分化形成三個胚層”。模式動物的應用對于人類認識原腸運動發揮了不可替代的重要作用。發育生物學家最初以結構簡單的低等無脊椎動物,如海綿、水母、海膽、線蟲和果蠅等研究原腸運動,揭示了該過程中細胞運動、細胞極化、細胞連接和細胞間通訊等基本細胞生物學事件;繼而采用高等脊椎動物,如魚類(斑馬魚)、兩棲類(非洲爪蟾)和哺乳類(小鼠)等爲模型探索原腸運動,原腸運動發生機制的神秘面紗被逐漸揭開。然而,上述模式動物與人類存在很大差異,即使同爲哺乳動物的齧齒類,其早期胚胎也與靈長類動物存在顯著不同,比如小鼠胚胎著床後上胚層形成杯狀結構,而靈長類動物胚胎則形成雙層胚盤狀結構。因此,無法將小鼠的研究結果直接推演到人類等靈長類動物。最近,科學家嘗試將人類胚胎體外培養至受精後12-13天,受到國際廣泛關注。本研究以與人遺傳與進化較爲接近的食蟹猴作爲模式動物,避免了人類胚胎培養14天的倫理限制,首次證明靈長類動物胚胎可以在沒有母體支撐的情況下體外發育至原腸運動,並重現了靈長類動物早期胚胎發育的幾個關鍵事件。本研究對探索靈長類動物早期胚胎發育和原腸運動開辟了嶄新研究平台,爲人類早期胚胎發育異常等重大疾病的臨床藥物研發和再生醫學的發展提供了潛在的新工具,爲人類深入認識胚胎發育機制和體外孕育生命(非人)探索提供了重要數據。 

  该研究由中国科学院动物研究所、中國科學院昆明動物研究所、中国科学院干细胞与再生医学创新研究院和中国科学院动物进化与遗传前沿交叉卓越创新中心合作完成。中国科学院动物研究所和昆明动物研究所联合培养博士生马怀孝(2018年8月起任昆明动物研究所助理研究员)、中国科学院动物研究所和中国科学院干细胞与再生医学创新研究院博士生翟晶磊、助理研究员万海峰和博士后蒋祥祥为该論文的共同第一作者。中国科学院动物研究所和中国科学院干细胞与再生医学创新研究院王红梅研究员、李磊研究员和中國科學院昆明動物研究所及中科院动物进化与遗传前沿交叉卓越创新中心郑萍研究员为该論文的共同通讯作者。这项工作得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家重点研发计划和国家基金委等项目的支持。也得到了昆明动物研究所“模式动物(灵长类)表型与遗传研究国家重大科技基础设施”的技术支持。 


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