中科院團隊合作首次在體外重現(xiàn)非人靈長類動物胚胎原腸運動的發(fā)生
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早期胚胎發(fā)育關(guān)乎生命本源，一直是生物學(xué)研究的熱點和難點。哺乳動物胚胎在輸卵管中經(jīng)一系列卵裂和分化形成囊胚。隨后，囊胚遷移至子宮進行著床。著床前后，胚胎中部分細胞開始移動、重排和分化，啟動原腸運動（Gastrulation），形成內(nèi)、中、外三個胚層，為胚胎體軸建立和器官發(fā)育奠定基礎(chǔ)。早期胚胎發(fā)育和原腸運動發(fā)生異常往往導(dǎo)致妊娠失敗和出生后器官缺陷等重大疾病。英國著名發(fā)育生物學(xué)家路易斯·沃伯特曾說：“人一生最重要的時刻不是出生、結(jié)婚和死亡,而是原腸運動”。
受限于倫理和研究技術(shù)等，靈長類動物胚胎原腸運動的研究非常有限。著床后胚胎發(fā)育對母體的依賴程度仍不清楚。2019年10月31日，Science雜志以“Research article”形式在線發(fā)表的一項體外重現(xiàn)非人靈長類動物胚胎原腸發(fā)生的工作，為研究靈長類動物早期胚胎發(fā)育過程建立了重要的研究基礎(chǔ)。這項研究是中國科學(xué)院動物研究所和中國科學(xué)院干細胞與再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院王紅梅課題組和李磊課題組與中國科學(xué)院昆明動物研究所、中科院動物進化與遺傳前沿交叉卓越創(chuàng)新中心鄭萍課題組共同合作的研究工作：“In vitro culture of cynomolgus monkey embryos beyond early gastrulation”。
在該研究中，作者借助團隊深耕多年建立的非人靈長類動物胚胎體外培養(yǎng)系統(tǒng)，將食蟹猴囊胚體外培養(yǎng)至原腸運動出現(xiàn)，并進一步發(fā)育至受精后20天。本研究從形態(tài)學(xué)、標(biāo)記分子染色和單細胞轉(zhuǎn)錄組等多個角度提供了充分的證據(jù)，證明體外發(fā)育的食蟹猴胚胎高度重現(xiàn)體內(nèi)胚胎發(fā)育包括原腸運動在內(nèi)的多個重要事件；第一次提供了靈長類動物早期胚胎發(fā)育過程中羊膜細胞的基因表達特征，并重新定義了多種靈長類動物早期胚胎細胞類型。
原腸運動作為胚胎發(fā)育最重要事件之一，是一個古老而神秘的研究領(lǐng)域。早期的發(fā)育生物學(xué)家們對原腸運動的闡述各不相同，直到上世紀(jì)五六十年代，原腸運動才有了較為統(tǒng)一的定義，即“細胞經(jīng)有序的遷移后分化形成三個胚層”。模式動物的應(yīng)用對于人類認(rèn)識原腸運動發(fā)揮了不可替代的重要作用。發(fā)育生物學(xué)家最初以結(jié)構(gòu)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(xué)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）等為模型探索原腸運動，原腸運動發(fā)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，即使同為哺乳動物的嚙齒類，其早期胚胎也與靈長類動物存在顯著不同，比如小鼠胚胎著床后上胚層形成杯狀結(jié)構(gòu)，而靈長類動物胚胎則形成雙層胚盤狀結(jié)構(gòu)。因此，無法將小鼠的研究結(jié)果直接推演到人類等靈長類動物。最近，科學(xué)家嘗試將人類胚胎體外培養(yǎng)至受精后12-13天，受到國際廣泛關(guān)注。本研究以與人遺傳與進化較為接近的食蟹猴作為模式動物，避免了人類胚胎培養(yǎng)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(fā)育至原腸運動，并重現(xiàn)了靈長類動物早期胚胎發(fā)育的幾個關(guān)鍵事件。本研究對探索靈長類動物早期胚胎發(fā)育和原腸運動開辟了嶄新研究平臺，為人類早期胚胎發(fā)育異常等重大疾病的臨床藥物研發(fā)和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供了潛在的新工具，為人類深入認(rèn)識胚胎發(fā)育機制和體外孕育生命（非人）探索提供了重要數(shù)據(jù)。
該研究由中國科學(xué)院動物研究所、中國科學(xué)院昆明動物研究所、中國科學(xué)院干細胞與再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院和中國科學(xué)院動物進化與遺傳前沿交叉卓越創(chuàng)新中心合作完成。中國科學(xué)院動物研究所和昆明動物研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士生馬懷孝（2018年8月起任昆明動物研究所助理研究員）、中國科學(xué)院動物研究所和中國科學(xué)院干細胞與再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院博士生翟晶磊、助理研究員萬海峰和博士后蔣祥祥為該論文的共同第一作者。中國科學(xué)院動物研究所和中國科學(xué)院干細胞與再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院王紅梅研究員、李磊研究員和中國科學(xué)院昆明動物研究所及中科院動物進化與遺傳前沿交叉卓越創(chuàng)新中心鄭萍研究員為該論文的共同通訊作者。這項工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家重點研發(fā)計劃和國家基金委等項目的支持。也得到了昆明動物研究所“模式動物（靈長類）表型與遺傳研究國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施”的技術(shù)支持。
注：本文轉(zhuǎn)載自中國科學(xué)院昆明動物研究所哺乳動物胚胎發(fā)育學(xué)科組。
