Science | 用单细胞技术记录『生命最初的模样』

(maamx.com报道)2019年11月1日,由昆明理工大学灵长类转化医学研究院主导,深圳华大生命科学研究院等单位合作完成的最新研究成果“Dissecting primate early post-implantation development using long-term in vitro embryo culture”在国际著名学术期刊《科学》(Science)上在线发表。

本次研究基于昆明理工大学灵长类转化医学研究院成熟的胚胎体外培养系统,结合华大在单细胞测序技术与数据解读方面的优势,成功的展示了灵长类胚胎着床后细胞谱系分化及分子轨迹变化。

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图片来源:Science官网

原肠运动:比生死更重要的事

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。”

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。尤其是推动细胞有序迁移并分化形成三个胚层的原肠运动,更被认为是包括人类在内的灵长类动物发育的里程碑事件。如果原肠运动发生异常,往往会导致妊娠失败、出生后器官缺陷等重大疾病。

原肠运动神秘面纱被逐渐揭开

发育生物学家们从海绵、水母、海胆、线虫和果蝇等结构简单的低等无脊椎动物入手,而后过渡到斑马鱼、非洲爪蟾和小鼠等高等脊椎模式动物,逐步研究揭示了原肠运动的发生机制。

然而模式动物毕竟与人有着很大差异,即使是同为哺乳动物的小鼠,早期胚胎也跟灵长类动物有着显著不同。

2016年,日本京都大学Mitinori Saitou团队利用单细胞测序技术对食蟹猴胚胎植入前及植入后的转录组变化进行了研究,发现了食蟹猴胚胎植入晚期的外胚层细胞与人和猴的多能干细胞具有高度类似性。

为深入探索灵长类胚胎着床后发育过程中的分子机制,并克服灵长类动物体内胚胎发育研究的多重限制,本次研究成功实现了食蟹猴胚胎体外20天的培养,通过对受精后9天到20天的体外培养胚胎进行观察,体外培养胚胎呈现出了与体内发育胚胎高度一致的形态学与基因表达特征。

用单细胞技术记录生命最初的模样

早期胚胎发育_2

食蟹猴胚胎体外培养系统(图片来源:参考文献)

研究人员利用单细胞测序技术对体外培养7个时间点的胚胎细胞进行测序,发现与体内发育胚胎细胞高度类似的分化与基因表达轨迹。

  1. 通过分析滋养外胚层、多能外胚层、原始内胚层谱系细胞转录组,发现滋养层谱系的分化路径并证实小鼠中公认的滋养层干细胞标志物 CDX2在灵长类早期胚胎发育中表达并不能维持;  
  2. 发现外胚层(epiblast)细胞在分化中的细胞亚型与状态变化,并揭示了氧化磷酸化途径在naïve多能性维持中的作用;  
  3. 证实了TGFβ通路在原始内胚层分化至胚外间质细胞中的重要地位;  
  4. 证实了体外分化的原始生殖细胞样细胞与体内原始生殖细胞在转录组水平的高度类似性。  
  5. 通过对细胞配体和受体基因表达的分析,揭示了外胚层、多能外胚层、原始内胚层谱系细胞间的互相作用关系,例如FGF和WNT通路在谱系分化中的重要作用。

该研究工作首次利用体外系统,揭示了植入后早期非人类灵长类动物胚胎发生的关键发展事件和复杂的分子机制,有助于对人类早期着床后胚胎发育的理解,其中单细胞多组学测序在揭示胚胎发育重要基因及发育轨迹中发挥了重要作用。

研究数据

本次研究中所有测序数据已保存在国家基因库生命大数据平台(CNGBdb),项目编号:CNP0000231

参考文献:
Niu Y, Sun N, Li C, et al. Dissecting primate early post-implantation development using long-term in vitro embryo culture[J]. Science, 2019, 366(6467).
信息来源:BGI华大公众号、国家自然科学基金委员会科学传播中心官网(http://www.nsfc.gov.cn/csc/20340/20289/47304/index.html)
图片来源:均已标注,如有侵权请联系删除。

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