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北大團(tuán)隊(duì)新研究，繪制了生命早期表達(dá)圖譜 | 前沿

2019/08/22
導(dǎo)讀
世界上最精妙的事情莫過于新生命的誕生。
圖源pixabay.com
 
撰文 | 計(jì)永勝
責(zé)編 | 葉水送
 
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世界上最精妙的事情莫過于新生命的誕生。

人類的胚胎發(fā)育始于精卵結(jié)合，由此所產(chǎn)生的受精卵經(jīng)過6-7天在輸卵管的“長途跋涉”最終到達(dá)母體子宮，進(jìn)行著床，即植入（Implantation）。在這個(gè)遷徙過程中，受精卵從單個(gè)細(xì)胞分化為由滋養(yǎng)層（Trophectoderm，TE）、外胚層（Epiblast，EPI）和原始內(nèi)胚層（Primitive endoderm，PE）組成的囊胚（Blastocyst）。囊胚著床后，滋養(yǎng)層、外胚層和原始內(nèi)胚層分別發(fā)育為胎盤、胚體和卵黃囊……

從單個(gè)受精卵的形成到新生命的問世總共歷時(shí)約280天，整個(gè)過程的基因表達(dá)、細(xì)胞分化和器官發(fā)育均需要精細(xì)的時(shí)空調(diào)控。

圖1. 人類胚胎發(fā)育（部分時(shí)間段）。（圖片來自embryology.med.unsw.edu.au）

2019年8月22日，《自然》雜志在線發(fā)表了北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）教授湯富酬與北京大學(xué)附屬第三醫(yī)院教授喬杰聯(lián)合團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)現(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)運(yùn)用人類胚胎體外培養(yǎng)系統(tǒng)和單細(xì)胞多組學(xué)測序技術(shù)，對(duì)來自65個(gè)胚胎的8000多個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了系統(tǒng)分析，繪制了囊胚植入前后細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組和 DNA 甲基化組圖譜 [1]。


早在2014年，湯富酬和喬杰團(tuán)隊(duì)就利用單細(xì)胞 DNA 甲基化組高通量測序方法對(duì)人類早期胚胎發(fā)育過程中 DNA 甲基化進(jìn)行了系統(tǒng)研究 [2]。但由于從體內(nèi)獲取植入后胚胎的操作難度很大，因此，關(guān)于胚胎植入后各細(xì)胞組群的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理仍是未解之謎。

在該研究中，科研人員將獲贈(zèng)的48個(gè)早期胚胎進(jìn)行了體外培養(yǎng)，模擬體內(nèi)的植入過程。其中，第6天之前屬于囊胚階段，即植入前時(shí)期；第8天到第14天屬于植入后時(shí)期。隨后，科研人員將獲得的5911個(gè)單細(xì)胞進(jìn)行了分群，即滋養(yǎng)層（TE）、外胚層（EPI）和原始內(nèi)胚層（PE），最終對(duì)3184個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了單細(xì)胞系統(tǒng)分析（圖2）。

圖2. 人類植入后胚胎單細(xì)胞RNA測序轉(zhuǎn)錄組分析。（圖片來自Nature）

研究人員發(fā)現(xiàn)，相比于植入前，胚胎細(xì)胞在植入后的基因表達(dá)發(fā)生了明顯的變化，并且在植入后不同時(shí)期基因表達(dá)也存在差異。通過對(duì)基因表達(dá)的組織特異性進(jìn)行檢測，研究人員發(fā)現(xiàn)人類外胚層細(xì)胞的某些標(biāo)簽基因與猴子胚胎植入期外胚層的標(biāo)簽基因相同。同時(shí)，在體外培養(yǎng)的后期，胚胎滋養(yǎng)層細(xì)胞開始分化，為植入過程中母胎界面的形成做好準(zhǔn)備（圖3）。

圖3. 胚胎植入后時(shí)期各組群細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組動(dòng)態(tài)分析。（圖片來自Nature）

眾所周知，男性的性染色體是 XY，女性的性染色體為 XX。為了保證X染色體相關(guān)基因在男性和女性體內(nèi)的表達(dá)劑量平衡，在胚胎發(fā)育時(shí)期，女性細(xì)胞內(nèi)的一條X染色體要失活（X chromosome inactivation）。該研究發(fā)現(xiàn)，女性細(xì)胞X染色體失活在胚胎植入后（第12天）就已經(jīng)啟動(dòng)，但失活并未完全。

隨后，科研人員對(duì)來自另外17個(gè)胚胎的2544個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了分析，并檢測了不同細(xì)胞群體的DNA甲基化水平。結(jié)果顯示，植入期間，滋養(yǎng)層、外胚層和原始內(nèi)胚層細(xì)胞的基因組均發(fā)生不同程度的再甲基化（圖4）。例如，外胚層細(xì)胞基因組的甲基化水平從第6天的26.1%上升到第10天的60.0%。有趣的是，相同基因的啟動(dòng)子（基因表達(dá)的啟動(dòng)原件）甲基化水平在不同細(xì)胞組群中也存在差異，說明 DNA 的甲基化對(duì)于細(xì)胞特異基因的表達(dá)以及后續(xù)胚胎發(fā)育過程中細(xì)胞命運(yùn)的維持有重要作用。

圖4. 人類胚胎植入前后細(xì)胞特異性DNA甲基化動(dòng)態(tài)變化。（圖片來自Nature）

文章最后指出，體內(nèi)的胚胎植入過程可能與體外培養(yǎng)系統(tǒng)存在些許不同，但該研究所繪制的細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和 DNA 甲基化組圖譜為更好地在體外環(huán)境中進(jìn)行胚胎發(fā)育研究提供了基礎(chǔ)。同時(shí)，該研究所獲得的龐大的轉(zhuǎn)錄組和甲基化組數(shù)據(jù)為生殖醫(yī)學(xué)和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展也提供了豐富的資源。


參考文獻(xiàn)
[1] Fan Zhou, Rui Wang, Peng Yuan, etal. Reconstituting the transcriptome and DNA
methylome landscapes of human implantation. Nature. 2019. doi.org/10.1038/s41586-019-1500-0
[2] Hongshan Guo, Ping Zhu, Liying Yan, etal. The DNA methylation landscape of human early embryos. Nature. 511,606–610 (2014) doi.org/10.1038/nature13544
 
制版編輯 | 皮皮魚
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