「人雞胚胎」破解生命起源奧秘，首次證實「組織者」存在於人體

不同種類的細胞是如何形成的？為什麼人類胚胎中的一個幹細胞會最終變成神經元而不是肌肉細胞？為什麼有的幹細胞會發育成軟骨組織而不是心臟組織？一直以來，這些問題就像有關生命的「終極之問」一樣考驗著每一個人。

今天，洛克菲勒大學的科學家們在 Ali h. Brivanlou 和 Eric d. Siggia 的領導下進行的一項新研究終於揭示了決定細胞「命運」的分子環路。他們在 5 月 23 日的《自然》雜誌上發表了一篇名為《Self-organization of a human organizer by combined Wnt and Nodal signalling》的論文，使用「人雞胚胎」首次驗證了組織者（Organizer）——一種幫助組織並引導胚胎髮育的細胞群在人體組織中存在的事實，使研究人類早期胚胎階段的發展邁上了一個新的平台，並可能就此針對各種疾病開發一系列新的療法。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0150-y

「組織者」

上世紀 20 年代初期，德國胚胎學家 Hans Spemann 和他的學生 Hilde Mangold 就開始探索胚胎幹細胞如何分化成身體中的任何種類的細胞組織，包括骨骼、腦、肺和肝臟等等。

圖丨德國胚胎學家 Hans Spemann

在 1924 年的蠑螈胚胎實驗中，Spemann 和 Mangold 發現了一組獨特的細胞群。當將其移植到另一種蠑螈胚胎時，它會誘導附近的細胞形成腦和脊髓的雛形——這個新的胚胎長成了一對連體蠑螈雙胞胎。

這項研究被認為是發育生物學中最重要的研究之一，1935 年 Hans Spemann 也因「胚胎誘導」理念為發育生物學做出的貢獻獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。Brivanlou 對此評價道，「這項研究解答了 『腦和其他器官的發育信息是從哪裡來的?』這個胚胎髮育學問題」。

圖丨蠑螈

之後，科學家們還在其它兩棲動物和魚類胚胎中發現了類似的細胞群，這些細胞群在組織的早期結構發育方面起到了重要的塑造作用，因此被稱為"組織者"（organizers）。它們發出分子信號，使其他細胞以特定的方式生長和發育。當一個組織者從一個胚胎移植到另一個胚胎時，「組織者」會刺激它的新宿主逐漸發育出一個包括脊髓和腦的中樞神經系統，組織者自身會發育為脊柱的骨骼等組織。

然而，要觀察到一個人類組織者細胞，科學家不得不將培養胚胎的時間延長到 15-16 天。但是受限於國家層面的道德規範和法律，包括美國在內的很多國家都禁止科學家們利用已經發育了 14 天以上的人類胚胎做實驗，因為這是胚胎不能再分裂的關鍵點，此時胚胎可以被視為一個個體。正是這些倫理等相關問題限制了直接用人類胚胎展開相應的實驗。於是，科學家們開始積極尋找各種相類似的替代品。

為了驗證是否可行，Brivanlou 和他的團隊使用人造人類胚胎開展了一系列的實驗。他們在實驗室中用人類的胚胎幹細胞培養出了一小團直徑約為一毫米的細胞組織。儘管這些人造模擬組織與天然胚胎相差甚遠，但它們仍然包含了許多存在於真正人類胚胎中的細胞和組織，並且可以作為實驗性替代品。

圖丨人類胚胎幹細胞被誘導進入胚胎樣結構

過往的研究表明，三種不同的信號傳導途徑直接促進了小鼠和青蛙等動物的早期胚胎髮育。通過激活人工胚胎中的這些通路，Brivanlou 和他的同事們發現，同樣的分子信號也可以促進人類細胞的發育。更進一步來講，如果按照正確的順序給出這些信號，人工胚胎甚至會逐漸發育出自己的組織者。

但是，需要注意的是，這一切還只是在實驗室中的操作，畢竟細胞在培養皿中的變化和在真正的胚胎里的變化之間還是有區別的。

於是，為了驗證他們最初的實驗發現，研究人員將人工胚胎移植到活雞胚胎上，以進行更貼合人體研究。當然，他們事先用熒游標記標記了人類細胞，使研究人員能夠在顯微鏡下更精確地對人類細胞進行追蹤。

接下來發生的事情讓他們大吃一驚。

各司其職

跨物種細胞移植絕不是一件容易的事，研究團隊以前曾經嘗試過讓人造人類胚胎與小鼠胚胎相融合，但事實證明這極為困難，還從未有人成功將人類胚胎細胞移植到早期禽類胚胎中。

當人類胚胎細胞被移植到禽類宿主體內後，人類細胞便開始誘導脊柱與神經系統的基礎性發育，很明顯，這一行為標誌著真正意義上的人類「組織者」形成。

「令我驚異的是，移植細胞不僅存活了下來，還進一步形成了完美的組織結構。」Brivanlou 表示。

圖丨研究人員將人類細胞(紅色) 植入一個雞胚胎中

然而令他驚奇的還遠不止這些。來自人類的祖細胞會最終發育成軟骨與骨骼組織，並形成第二脊柱，而最終會發育成脊髓和腦的神經組織則是完全來源於雞細胞。

實際上，在 2016 年，Brivanlou 的小組就首次在培養皿中培養出只有十四天發育程度大小的人類胚胎。但是，他們不得不在胚胎能夠開始一系列複雜的細胞重組、並能長出四肢和器官的這個節點上停止這個實驗。換句話說，實驗終止之前他們沒能觀察到「組織者」細胞是如何運作的。

吸取上次的經驗，在最近的這次實驗中，他的研究團隊通過培育人造人類胚胎組織，巧妙的繞開了超過十四天便必須終止對人類胚胎的實驗的規定。而這次在雞胚胎上的培育結果與 1924 年的蠑螈實驗結果非常相似。

據 Brivanlou 介紹，從物種上來看，禽類是一種更接近恐龍的動物，而非人類。人類細胞能夠在禽類胚胎中形成新的結構，證明了動物細胞可以進行選擇性發育，而這一能力一直被隱藏在百萬年的進化歷程中。

而那些被移植到雞細胞中並最終發育為神經組織的人類細胞，也證明了細胞交流的存在。細胞通過相互之間傳遞信號來影響彼此的「命運」，這也是過去一直不為我們所知的。

「當你把組織者移植到雞胚胎中，有一套『語言』會用來引導禽類細胞發育為腦和神經系統，而這套『語言』也同樣適用於兩棲生物和魚類。」Brivanlou 表示。

英國倫敦大學學院的發育生物學家 Claudio Stern 稱，這項工作是「很好的技術進步」，儘管它還有很大的局限性。在人類胚胎之外製造有組織細胞的方法可以幫助研究人員了解這些細胞獨特的誘導功能。但是這種方法並不能真正的代替對胚胎中組織者細胞的研究，組織者細胞可以由更多樣化的細胞組成，而不是只有來自幹細胞群的細胞。為了研究組織者細胞，研究人員必須突破 14 天的倫理限制，這個突破直到最近才被認為在技術上是可行的。Stern 說:「如果我們能再多花一兩天時間，我們就可以研究真正的組織者細胞了。」

圖丨英國倫敦大學學院的發育生物學家 Claudio Stern

英國劍橋大學發育生物學家 Ben Steventon 並未參與此項研究，他說，即使不是真正的組織者細胞，這種新方法仍可用於研究人類與其他物種在早期發育過程中細胞間的信號傳遞是如何變化的。

來自 Jackson 實驗室的幹細胞研究者 Martin Pera 對 Brivanlou 的研究稱讚有加，他認為人雞胚胎能為科學界帶來以前的技術無法實現的效果。比如說，通過這項技術，科學家們能夠更好的了解人類胚胎髮育早期中的那些可能導致流產的生理缺陷。從另一方面說，這項技術激勵科學家們把類似胚胎的結構和人工培養的人類幹細胞進行比較，從而對幹細胞的作用有更深入的了解。

可以說，人雞胚胎成功避免了用真正的人類胚胎做實驗會帶來的道德和法律方面的限制。來自德國斯圖加特的霍恩海姆大學（Universit?t Hohenheim）的發育生物學家 Martin Blum 十分喜歡這項技術。他認為這項技術的先進之處在於，我們不需要再用真正的人類胚胎就能進行研究了，處於發育初期的人類胚胎已經可以被人雞胚胎所取代，後者還可以向科學家們提供更多的關於胚胎學的核心信息。

圖丨發育生物學家 Martin Blum

但是 Brivanlou 本人並不同意。在他看來，對真正胚胎的研究從來都不能被別的東西所取代，人雞胚胎畢竟只是一種效模擬正人的胚胎的模型，而模型總是或多或少會忽略了一些細節的。他透露說，實驗的下一課題是研究人類的「組織者」細胞是到底如何誘導周圍的細胞的。如果這一課題有所進展，我們就能更好地了解如何將人類幹細胞培育成具體的組織或結構，為需要再生器官和再生組織的治療方案提供新的思路。Brivanlou 十分看好這對人類胚胎幹細胞和雞的組合，他期待儘早揭開更多人雞胚胎的神秘之處。

了解起源才能向前

再生醫學是仰賴幹細胞的相關技術治療和修復衰竭的組織，甚至是以新生的組織來取而代之，因此，了解未分化的幹細胞如何成為特定類型的組織，對於再生醫學至關重要。

此外，Brivanlou 跟團隊提出基於小雞的移植方法，可以稱得上是研究人類早期發育階段的一項強大的新工具，而這項工具他們也已經在其他研究中使用。他們的成果為正常細胞分化和組織形成的研究提供了一個窗口，可以幫助科學家了解在生命早期，問題是在什麼時候、以及如何出現的。

與此同時，Brivanlou 計劃利用他克隆的胚胎細胞來探索早期胚胎髮育的關鍵步驟，並梳理出發育過程可能會出錯的各種方式。他計劃使用 CRISPR 基因編輯工具來引入致病性突變，並觀察它們在某些最早發育階段中的作用。他說，即使是 4 天窗口期，也足夠他的團隊培育並研究這些克隆胚胎。這項研究足夠讓幾代人忙活了。」

因此，基於這項研究也可能發展出多種預防流產和出生缺陷的新方法，以及針對從癌症到糖尿病等疾病的新療法。

「如果你想了解某些事情，你必須先了解它的根源，」Brivanlou 說。「如果我們想了解人類疾病的根源，我們就得在人類細胞的研究上下足功夫。」

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