新培養(yǎng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，早期人類胚胎中細(xì)胞擁擠程度影響細(xì)胞身份決定

新的培養(yǎng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，早期人類胚胎中細(xì)胞擁擠程度影響細(xì)胞身份決定

研究重點(diǎn):

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該研究所與Wellcome-MRC劍橋干細(xì)胞研究所合作開發(fā)了一種細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)，可以根據(jù)細(xì)胞密度將人類多能干細(xì)胞分化為羊膜外胚層和表面外胚層。

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羊膜外胚層形成羊膜，包裹并保護(hù)胚胎。相反，表面外胚層產(chǎn)生身體外表面的組織，如表皮、頭發(fā)和指甲。這些不同的胚胎組織在表達(dá)模式和信號(hào)需求方面彼此相似，但其相似性的生物學(xué)意義尚未被理解。

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利用新的培養(yǎng)方法，研究了羊膜外胚層與表面外胚層的發(fā)育關(guān)系。單細(xì)胞RNA測(cè)序分析表明，從表面外胚層到羊膜外胚層的順序分化受細(xì)胞密度的影響。

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這項(xiàng)研究提供了胚胎和胚胎外人類發(fā)育如何在原腸胚形成周圍協(xié)調(diào)的綜合理解。這也為改進(jìn)羊膜和表面外胚層的制備方法提供了一條途徑，并為更好地代表人類胚胎的基于干細(xì)胞的綜合胚胎模型鋪平了道路。

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Shota Nakanoh博士在研究所的Teresa Rayon博士的實(shí)驗(yàn)室和劍橋干細(xì)胞研究所的Ludovic Vallier教授的實(shí)驗(yàn)室合作進(jìn)行了一項(xiàng)研究，確定了早期人類胚胎中細(xì)胞擁擠的程度會(huì)影響細(xì)胞是發(fā)展為胚胎外細(xì)胞還是成為胚胎的一部分并最終發(fā)育成皮膚、頭發(fā)和指甲。這項(xiàng)研究發(fā)表在最新一期的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

該項(xiàng)目的首席研究員Nakanoh博士將新的培養(yǎng)方法與三維培養(yǎng)和單細(xì)胞RNA測(cè)序分析相結(jié)合，使用人類多能干細(xì)胞(hPSC)來了解更多關(guān)于在原腸胚形成前后(受精后約兩周)人類胚胎中羊膜和表面外胚層如何產(chǎn)生的信息。

相似但不同的組織——羊膜和表面外胚層的奧秘

羊膜外胚層是在發(fā)育中的胚胎周圍形成膜的單細(xì)胞層。它也為人類胚胎發(fā)育提供了必要的信號(hào)，然而，人類羊膜是如何形成的仍不完全清楚。

表面外胚層是一層致密的表皮祖細(xì)胞，它形成了身體的表面覆蓋物，如皮膚，以及牙齒、頭發(fā)和指甲等相關(guān)特征。如果生產(chǎn)它的技術(shù)能夠得到改進(jìn)，它的人工生產(chǎn)將具有醫(yī)學(xué)意義。

羊膜細(xì)胞和表面外胚層細(xì)胞在發(fā)育的早期階段是特化的，并且在很大程度上具有相同的生物學(xué)特征，如基因表達(dá)模式和信號(hào)需求。為什么這些不同的組織如此相似，以及它們?cè)诎l(fā)育過程中如何分化，一直是個(gè)謎。

細(xì)胞擁擠影響細(xì)胞身份

Nakanoh博士為人乳頭狀細(xì)胞定制了培養(yǎng)條件，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充激活素A、BMP4、gsk3 - β抑制劑和MEK抑制劑促進(jìn)了它們向羊膜外胚層的分化。利用共培養(yǎng)技術(shù)形成細(xì)胞聚集體，他能夠確認(rèn)生成的羊膜外胚層細(xì)胞啟動(dòng)原腸胚形成的能力。單細(xì)胞RNA測(cè)序分析也提示了羊膜外胚層的分化途徑，其中表面外胚層基因在羊膜外胚層基因程序激活之前表達(dá)。

在CSCI生物信息學(xué)主任Irina Mohorianu博士的專業(yè)知識(shí)下，將基因表達(dá)數(shù)據(jù)與處于可比發(fā)育階段的靈長類胚胎的公開數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了培養(yǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的細(xì)胞類型，證明了它們與相應(yīng)胚胎組織的相似性。此外，我們還觀察到了靈長類胚胎從表面外胚層狀態(tài)到羊膜外胚層狀態(tài)的發(fā)育途徑。

最重要的是，Nakanoh博士發(fā)現(xiàn)兩種細(xì)胞類型的區(qū)別取決于細(xì)胞密度;細(xì)胞在稀疏條件下變成羊膜外胚層的地方。相反，高密度培養(yǎng)導(dǎo)致細(xì)胞表達(dá)表面外胚層標(biāo)志物，而不表達(dá)羊膜外胚層標(biāo)志物。這些細(xì)胞也能夠分化為下游表皮細(xì)胞類型，角質(zhì)形成細(xì)胞，這代表了皮膚中的關(guān)鍵細(xì)胞類型。研究人員測(cè)試了培養(yǎng)基的變化，但細(xì)胞密度是影響羊膜外胚層和表面外胚層細(xì)胞命運(yùn)選擇的**因素。

研究小組還發(fā)現(xiàn)，新的培養(yǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生了類似胚胎外中胚層的細(xì)胞，這種細(xì)胞在人類胚胎中尚未得到很好的表征。

Rayon實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Shota Nakanoh博士說:“羊膜保護(hù)胚胎，提供關(guān)鍵的發(fā)育線索，而表面外胚層則是成年人身體的重要組成部分。”這兩種細(xì)胞類型都具有很高的臨床價(jià)值，是成功建立人類胚胎體外模型的重要因素。雖然有將細(xì)胞分化為羊膜細(xì)胞或表面外胚層細(xì)胞的方案，但研究人員無法明確區(qū)分這些細(xì)胞類型。我們關(guān)于細(xì)胞密度作為關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子的發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了這一知識(shí)空白，從而使我們更確定產(chǎn)生感興趣的細(xì)胞類型。”

將這種細(xì)胞擁擠效應(yīng)應(yīng)用到發(fā)育中的人類胚胎中，研究人員提出了這些相似的組織是如何在原腸胚形成前的胚胎中分化的，其中羊膜外胚層形成為具有相對(duì)少量細(xì)胞的松散薄片，而表面外胚層形成為連續(xù)的致密細(xì)胞薄片。

建立更好的干細(xì)胞胚胎模型

正確指定羊膜形成的方法對(duì)于能夠盡可能地利用基于干細(xì)胞的胚胎模型概括人類胚胎發(fā)育非常重要。這些模型越來越多地被用于探索人類胚胎研究技術(shù)和監(jiān)管限制之外的人類發(fā)展。

特雷莎·雷揚(yáng)博士是研究所表觀遺傳學(xué)研究項(xiàng)目的終身研究員，她說:“我們最近才開始探索人類發(fā)育過程中羊膜的生成。這些發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了我們對(duì)如何在體外實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生胚胎外細(xì)胞的理解，并揭示了在與人類發(fā)育的“黑箱”相對(duì)應(yīng)的階段驅(qū)動(dòng)細(xì)胞類型形成的機(jī)制。鑒于人們對(duì)使用干細(xì)胞胚胎模型作為人類胚胎的替代品越來越感興趣，這項(xiàng)工作為成功建立綜合模型提供了更多的知識(shí)。”

現(xiàn)任柏林慈善健康研究所(BIH)干細(xì)胞再生療法教授的Vallier教授說:“我們的培養(yǎng)系統(tǒng)還能產(chǎn)生胚胎外中胚層，這是另一種在人類胚胎中沒有得到很好研究的組織。它將提供對(duì)人類發(fā)展的更好理解，并可能提高我們對(duì)影響胎兒生命**步的疾病的認(rèn)識(shí)。這項(xiàng)工作也為細(xì)胞密度在細(xì)胞命運(yùn)決定中的作用的新研究打開了大門。”

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