猴子一生中“最重要时刻” 胚胎原肠运动首次体外重现

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小编:nbspnbsp本报记者 陆成宽 nbspnbsp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。” nbspnbsp来自中国科学院动物研究所等单位的研究人员,借

    本报记者 陆成宽

    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。”

    来自中国科学院动物研究所等单位的研究人员,借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,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》杂志上。

    囊胚在子宫“安家”前后,启动原肠运动,形成原肠胚。受访者供图

    一个古老的研究领域 原肠运动神秘面纱被逐渐揭开

    那么,究竟什么是原肠运动呢?

    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,形成受精卵。受精卵在输卵管中经一系列卵裂和分化形成囊胚。随后,囊胚迁移至子宫着床。囊胚在子宫“安家”前后,它的部分细胞开始移动、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。从囊胚发育到原肠胚的过程,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几千、几万个。”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“细胞经有序的迁移后分化形成三个胚层”。

    发育生物学家最初以结构简单的低等无脊椎动物,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等基本细胞生物学事件;继而采用高等脊椎动物,如鱼类(斑马鱼)、两栖类(非洲爪蟾)和哺乳类(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,来自剑桥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突破,但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

    原肠运动是包括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天以后,所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没有母体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。结合单细胞转录组测序分析,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。

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