胚胎髮育相關研究最新進展
文章來源於：生物谷，版權歸原作者所有
2018年10月24日/生物谷BIOON/---胚胎髮育一詞通常是指從受精卵起到胚胎出離卵膜的一段過程。而無脊椎動物胚胎學家則常把其概念擴展到胎後發育直到性成熟，甚至整個生活史。近年來，科學家們在胚胎髮育領域取得了眾多亮點研究成果，本文中，小編就對近期這個領域的重要研究進行整理，分享給大家!
1.Nature：利用胚胎幹細胞從頭構建定製的大腦區域
在一項新的研究中，來自美國波士頓兒童醫院和加州大學舊金山分校的研究人員描述了一種新方法來構建定製的小鼠模型來研究大腦。首先，一種天然的毒素可用於在小鼠胚胎中殺死通常生長在前腦中的年輕腦細胞。隨後就可利用經過基因改造的含有研究所需的特定遺傳修飾的胚胎幹細胞重建小鼠正在發育中的前腦。相關研究結果於2018年10月10日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Neural blastocyst complementation enables mouse forebrain organogenesis」。
這種「前腦替換(forebrain substitution)」導致遺傳學特徵受到嚴格控制的功能齊全的小鼠幼仔，從而允許科學家們能夠在更大程度的控制下研究特定基因如何影響大腦疾病。
2.Nature：胚胎幹細胞在體外自我組裝成胚胎樣結構
哺乳動物身體的結構在胚胎植入子宮後不久就已建立。身體的前後軸、背腹軸和中間外側軸在協調胚胎的各個區域中的DNA轉錄的基因網路的調節下便已確定了。如今，在一項新的研究中，來自瑞士日內瓦大學、洛桑聯邦理工學院和英國劍橋大學的研究人員報道了小鼠胚胎幹細胞產生表現出類似能力的偽胚胎(pseudo-embryo, 即胚胎樣結構)。相關研究結果於2018年10月3日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Multi-axial self-organization properties of mouse embryonic stem cells into gastruloids」。
這些被稱作類原腸胚(gastruloid)的結構僅由大約300個胚胎幹細胞組成，表現出具有與6至10天齡胚胎後部相似的發育特徵。這項研究表明，三個主要的胚胎軸是根據類似於胚胎的基因表達程序形成的。因此，類原腸胚有重大的潛力用於研究哺乳動物正常或病理性胚胎髮育的早期階段。
3.Cell：重大進展!開發出新型智能顯微鏡，在四維水平下觀察活鼠中的胚胎髮育
doi:10.1016/j.cell.2018.09.031
在一項新的研究中，美國霍華德-休斯醫學研究所珍妮莉亞研究園區物理學家和生物學家Philipp Keller及其同事們採取了一種不同的策略：他們設計了一台能夠完成所有工作的智能顯微鏡。相關研究結果於2018年10月11日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「In Toto Imaging and Reconstruction of Post-Implantation Mouse Development at the Single-Cell Level」。
圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.09.031。
在這台智能顯微鏡的中心，一種清晰的丙烯酸立方體結構容納著胚胎成像室。兩個片光(light sheet)照亮小鼠胚胎，兩個攝像頭記錄圖像。這些組件讓這些研究人員窺探曾經看不見的早期器官發育世界，以前所未見的高解析度細節揭示動態事件。這台顯微鏡的頭部配備了一套跟蹤胚胎位置和大小的演算法。這些演算法繪製片光如何在樣品中移動，然後找出如何獲得最佳圖像的方法---保持小鼠胚胎聚焦在視野中並位於視野中間。由於小鼠胚胎在不斷變化，這台顯微鏡必須不斷適應，以毫秒為間隔，在數百個不同的時間點上對數百多張圖像做出決定。
利用這台智能顯微鏡，Keller團隊如今能夠首次窺視活著的小鼠胚胎，觀察腸道開始形成，心臟細胞開始嘗試第一次跳動。在一個關鍵的48小時窗口---也就是初級器官開始形成的時間段---里，他們能夠追蹤每個胚胎細胞並確定它們去向何處，它們開啟了哪些基因，以及它們在路上遇到了哪些細胞。
4.Nature：揭示在胚胎髮生期間組織和器官如何構建出來
有沒有想過當你僅是一個胚胎時，一群細胞如何能夠構建出你的組織和器官?在一項新的研究中，美國加州大學聖巴巴拉分校研究員Otger Campàs及其團隊利用他們開發出的前沿技術破解了這個長期存在的秘密，並揭示出胚胎是如何形成的令人吃驚的內部工作細節。相關研究結果近期發表在Nature期刊上，論文標題為「A fluid-to-solid jamming transition underlies vertebrate body axis elongation」。
細胞之間通過交換生化信號進行協調，但是它們彼此間也相互作用和相互推動，從而構建出我們生存下來所需的身體結構，比如眼睛，肺部和心臟。而且事實證實，對胚胎進行雕塑非常類似於玻璃成型或三維列印。在這項新的研究中，Campins揭示出細胞群體以可控的方式從流體狀態轉變為固體狀態，從而構建出脊椎動物胚胎，這在某種程度上類似於我們如何將玻璃模塑成花瓶或三維列印出我們最喜歡的物品。或者，如果願意的話，我們從內部三維列印出我們自己。
大多數物體都是以流體開始。從金屬結構到明膠甜點，它們的形狀是通過將熔化的原始材料倒入模具中，然後冷卻它們，從而獲得我們使用的固體物體而構建出來的。正如奇胡利玻璃雕塑(Chihuly glass sculpture)是通過仔細熔化玻璃部分而讓其慢慢地重塑而製成，胚胎的某些區域中的細胞更加活躍並且將這種組織「融化」成能夠加以重構的流體狀態。Campàs解釋到，一旦完成，細胞就會「冷卻」，從而確定組織形狀。
Campàs說，「我們觀察到的從流體組織狀態到固體組織狀態的轉換在物理學中被稱為"堵塞(jamming)"。堵塞轉換是一種非常普遍的現象。當無序系統中的顆粒(比如泡沫、乳液或玻璃)被迫在一起或冷卻時，這種現象就會發生。」
Campàs說，「像其他脊椎動物一樣，斑馬魚從一群很大程度上是無形的細胞開始，需要將身體轉變成細長的形狀，頭部位於一端，尾部位於另一端。」導致這個過程的細胞物理重組裝一直是個謎。令人吃驚的是，這些研究人員發現構建出這種組織的細胞群體在物理上像泡沫一樣，在發育過程中發生堵塞，從而「凍結」這種組織結構並設定它的形狀。
5.Science：破解20年謎團!在哺乳動物胚胎的首次細胞分裂期間，兩個紡錘體讓親本染色體一直保持分開
doi:10.1126/science.aar7462; doi:10.1126/science.aau3216
人們長期以來認為，在胚胎的第一次細胞分裂過程中，一個紡錘體負責將胚胎內的染色體分離到兩個細胞中。如今，來自歐洲分子生物學實驗室(EMBL)的研究人員證實實際上存在兩個紡錘體：一個紡錘體分離一組父本染色體，另一個紡錘體分離一組母本染色體，這意味著來自親本的遺傳信息在第一次細胞分裂過程中一直都是分開的。這些研究結果註定要改變生物教科書。相關研究結果發表在2018年7月13日的Science期刊上，論文標題為「Dual-spindle formation in zygotes keeps parental genomes apart in early mammalian embryos」。
這種雙紡錘體形成可能解釋了哺乳動物早期發育階段(涉及最初的幾次細胞分裂)發生的高錯誤率。領導這項研究的EMBL小組負責人Jan Ellenberg說，「這項研究的目的是找出為何在最初的幾次細胞分裂中會發生這麼多錯誤。我們已知昆蟲等簡單生物中的雙紡錘體形成，但是我們從未想過諸如小鼠之類的哺乳動物就也會出現這種情況。這一發現令人大吃一驚，表明人們應該為意外發現做好準備。」
藉助於Ellenberg團隊和EMBL的Lars Hufnagel團隊開發出的光片層掃描顯微鏡(light-sheet microscopy)，這一發現才成為可能。鑒於胚胎對光是非常敏感的而且傳統的光學顯微鏡方法會對它造成損傷，這種光片層掃描顯微鏡允許對胚胎的早期發育進行實時的三維成像。這種光片層掃描顯微鏡的高速掃描和空間精確極大地降低胚胎接觸的光量，從而對這些之前無法觀察到的過程進行詳細分析。
6.Cell：轉座子LINE1對早期胚胎髮育是至關重要的
doi:10.1016/j.cell.2018.05.043
在一項新的研究中，來自美國加州大學舊金山分校、中國清華大學和英國愛丁堡大學的研究人員發現一種人們長期認為是垃圾或有害寄生物的「跳躍基因」實際上是胚胎髮育初始階段的一種關鍵的調節因子。相關研究結果於2018年6月21日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「A LINE1-Nucleolin Partnership Regulates Early Development and ESC Identity」。論文通信作者為加州大學舊金山分校產科/婦科與生殖科學副教授Miguel Ramalho-Santos博士。論文第一作者為加州大學舊金山分校的Michelle Percharde博士。
圖片來自Ramalho-Santos lab / UCSF。
如今，這些研究人員發現作為一種最為常見的轉座子，LINE1占人類基因組的24%，不是吃白食的，也不是寄生物，相反實際上是胚胎髮育經過兩細胞階段所必需的。
為了確定小鼠胚胎中的高水平LINE1 RNA表達對這種動物的發育是否是比較重要的，Percharde通過實驗剔除了小鼠胚胎幹細胞中的LINE1 RNA。令她吃驚的是，她發現這些細胞中的這種基因表達模式發生了變化，返回到受精卵第一次分裂後的兩細胞胚胎中觀察到的模式。Ramalho-Santos團隊嘗試著移除受精卵中的LINE1，結果發現胚胎完全喪失了經過兩細胞階段的能力。
進一步的實驗表明儘管LINE1基因在早期胚胎和幹細胞中表達，但是它的作用並不是將它自身插入到基因組的其他地方。相反，它的RNA被捕獲在細胞核內，在那裡它與基因調節蛋白Nucleolin和Kap1形成複合物。這種複合物對關閉一種協調胚胎的兩細胞狀態的主要遺傳程序(由基因Dux控制著)和啟動胚胎進行進一步分裂和發育所必需的基因是必要的。
7.Nature：首次研究塑造人類胚胎的最早決定
為什麼人類胚胎中的一個幹細胞變成神經元而不是變成肌肉細胞?為什麼另一個幹細胞決定產生軟骨而不是心臟組織?在一項新的研究中，美國洛克菲勒大學的Ali H. Brivanlou和他的團隊揭示了決定細胞命運的分子通路。這一發現為研究人類發育最早階段和可能為各種疾病開發出新的治療方法提供一種新的平台。相關研究結果於2018年5月23日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Self-organization of a human organizer by combined Wnt and Nodal signalling」。
科學家們已知道胚胎幹細胞能夠分化成體內的任何一種類型的特化細胞，如骨細胞、腦細胞、肺細胞和肝細胞。他們也已知道在兩棲動物和魚類胚胎中發現的特定細胞群體在塑造早期發育結構中起著組織作用。這些被稱為「組織者(organizer)」的細胞群體發出分子信號，引導其他細胞以特定的方式生長和發育。當將組織者細胞從一個胚胎移植到另一個胚胎時，它會刺激它的新宿主產生次級脊柱和中樞神經系統(包括脊髓和大腦)。
在這項新的研究中，Brivanlou團隊開展了一系列涉及人造人類胚胎的實驗：利用人胚胎幹細胞在實驗室中生長出直徑大約一毫米的微小細胞簇。儘管與自然界中的對應物相差甚遠，但是這些人造胚胎含有在真正的人類胚胎中存在的很多細胞和組織，而且能夠作為真正的人類胚胎的模擬物發揮作用。
之前的研究也揭示出三種不同的信號轉導通路促進小鼠和青蛙等動物的早期胚胎髮育。通過激活放置在培養皿中的人造人類胚胎內的這些通路，Brivanlou和他的同事們證實這些相同的分子信號也能夠促進人類細胞的發育。當以正確的順序給予這些信號時，這些人造胚胎甚至產生了他們自己的組織者細胞。
8.Cell：重磅!很多器官和組織正常發育根本不需細胞凋亡
doi:10.1016/j.cell.2018.04.036
在20世紀40年代，細胞凋亡首次被描述為在胚胎髮育中發揮作用。在過去的70年里，許多研究已提示著細胞凋亡在發育期間的大多數階段和組織中起著關鍵作用。
在一項新的研究中，澳大利亞研究人員證實儘管細胞凋亡整體而言對健康發育是至關重要的，但是很多器官和組織並不需要細胞凋亡來正常發育。很明顯，細胞凋亡在發育期間並不像之前認為的那樣重要。這一發現可能重寫我們對凋亡在胚胎髮育和先天性出生缺陷中發揮作用的理解。這項還提示著細胞死亡過程發生異常可能導致一些常見的人類出生缺陷，如脊柱裂、心臟血管缺損和齶裂。相關研究結果發表在2018年5月17日的Cell期刊上，論文標題為「Embryogenesis and Adult Life in the Absence of Intrinsic Apoptosis Effectors BAX, BAK, and BOK」。論文通信作者為來自澳大利亞沃爾特與伊麗莎-霍爾醫學研究所(Walter and Eliza Hall Institute of Medical Research)的Francine F.S. Ke、Anne K. Voss和Andreas Strasser。
這些研究人員發現細胞凋亡在發育期間的特定時間和地點是必不可少的，但是在發育期間的其他時間和地點並不是必要的。他們鑒定出特別需要細胞凋亡才能正常發育的組織和器官，而且令人吃驚的是，他們還鑒定出很多組織和器官在發育期間根本並不需要細胞凋亡。
9.重大進展!三篇Science揭示單個細胞形成完整有機體的基因圖譜
doi:10.1126/science.aar4362;
doi:10.1126/science.aar3131;
doi:10.1126/science.aar5780
不論是蠕蟲、人類還是藍鯨，所有的多細胞生物都是從單個細胞卵子開始的。這個細胞產生形成有機體所需的許多其他的細胞，而且每個新的細胞都是在合適的時間在合適的位置上產生的，從而通過與它的相鄰細胞進行合作而精確地發揮它的功能。這一壯舉是自然界中最引人注目的成就之一，而且儘管經過了幾十年的研究，生物學家們還是對這一過程知之甚少。
如今，在三項具有里程碑意義的研究中，來自美國哈佛醫學院和哈佛大學的研究人員報道他們如何系統性地對發育中的斑馬魚和熱帶爪蟾(Xenopus tropicalis)胚胎內的每個細胞進行分析，從而確定揭示單個細胞如何形成一個完整有機體的路線圖。
這些研究人員利用單細胞測序技術追蹤了胚胎生命的最初24小時內單個細胞的命運。 他們的分析揭示出當胚胎轉變為新的細胞狀態和類型時，哪些基因開啟或關閉以及何時發生的完整圖譜。總之，這些發現代表著在兩種重要的模式生物中產生不同的細胞類型的基因「配方」目錄，並且為研究發育生物學和疾病提供了前所未有的資源。這三項研究的結果於2018年4月26日同時在線發表在Science期刊上，論文標題分別為「Single-cell mapping of gene expression landscapes and lineage in the zebrafish embryo」、「Single-cell reconstruction of developmental trajectories during zebrafish embryogenesis」和「The dynamics of gene expression in vertebrate embryogenesis at single-cell resolution」。第一篇論文的通信作者為哈佛醫學院的Sean G. Megason和Allon M. Klein。第二篇論文的通信作者為哈佛大學的Aviv Regev和Alexander F. Schier。第三篇論文的通信作者為哈佛醫學院的Marc W. Kirschner和Allon M. Klein。
斑馬魚胚胎，圖片來自Fengzhu Xiong and Sean G. Megason/HMS。
Klein、Kirschner和及其團隊開發出一種被稱作InDrops的單細胞測序技術，從而能夠每次一個細胞地捕獲斑馬魚和熱帶爪蟾胚胎中每個細胞的基因表達數據。他們在24小時內的多個時間點收集來自這兩種模式生物的成千上萬個細胞的基因表達數據。
當胚胎髮育時，為了繪製每個細胞的譜系圖譜和確定標記著新的細胞狀態和類型的基因表達事件的準確順序，Klein團隊和Kirschner團隊開發了新的實驗和計算技術，包括TracerSeq，即導入人工DNA條形碼來追蹤細胞之間的譜系關係。
在Schier領導的一項研究中，Schier團隊利用一種被稱作Drop-Seq的單細胞測序技術在高時間解析度下研究斑馬魚胚胎12多個小時。通過與Regev合作，Schier團隊利用一種他們稱為URD的計算方法重建出胚胎髮育中的細胞軌跡。
Schier團隊分析了38000多個細胞，並開發了揭示當25種細胞類型發生特化時，它們的基因表達發生變化的細胞「家族樹」。通過將這些數據與空間推理相結合，Schier團隊還能夠重建早期斑馬魚胚胎中的各種細胞類型的空間起源。
10.Nature：測量單個細胞的染色質可接近性，從而揭示胚胎髮育路徑
doi:10.1038/nature25981
在一項新的研究中，美國華盛頓大學和位於德國海德堡市的歐洲分子生物學實驗室的研究人員證實細胞類型和發育階段能夠從數千個單細胞的染色質可接近性(chromatin accessibility, 也譯作染色質開放性)測量中推導出來。他們利用這種方法發現正在發育的胚胎中的細胞如何調節它們的身份，從而決定著它們變成什麼類型的細胞。相關研究結果發表在2018年3月22日的Nature期刊上，論文標題為「The cis-regulatory dynamics of embryonic development at single-cell resolution」。論文通信作者為歐洲分子生物學實驗室的Eileen Furlong和華盛頓大學醫學院的Jay Shendure。
這種新的和更為系統性的方法允許研究人員同時分析胚胎中的所有不同的細胞類型，並且重要的是，是在單細胞解析度下開展分析。Furlong說，「我期待這種方法節省世界各地的實驗室很多時間。」
之前，科學家們必須首先分離不同的細胞類型，然後分批地研究每種細胞類型中的染色質。這種冗長的方法提供了一種給定的細胞類型的數千個細胞的平均測量值。Shendure說，「之前的研究利用RNA含量的差異來鑒定細胞類型和它們的發育路徑。在這項新的研究中，我們測量了單個細胞中的染色質狀態，這種染色質狀態包括控制著每個細胞中的RNA表達方式和時間的調控程序。」
11.Cell：肌動蛋白環擴張對健康的胚胎至關重要
doi:10.1016/j.cell.2018.02.035
在一項新的研究中，新加坡科技研究局(A*STAR)的Nicolas Plachta博士和澳大利亞新南威爾士大學的Maté Biro博士及其同事們通過採用先進的顯微鏡技術和活的小鼠胚胎，觀察到肌動蛋白環(actin ring)在胚胎表面上形成，其中肌動蛋白是細胞骨架的一種主要組分。相關研究結果於2018年3月22日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「Expanding Actin Rings Zipper the Mouse Embryo for Blastocyst Formation」。
利用高解析度共聚焦顯微鏡在活的小鼠胚胎中檢測到擴張中的肌動蛋白環，圖片來自University of New South Wales。
胚胎外層細胞中的肌動蛋白環向細胞間連接(具體而言，就是相鄰細胞之間形成的緊密連接和黏著連接)擴張是隨後的胚胎封閉和健康發育所必不可少的。肌動蛋白環與這些細胞間連接偶聯在一起會使得這些細胞間連接更加穩定，而且肌動蛋白環沿著這些細胞間連接扣緊，使得胚胎封閉，從而確保健康的囊胚形成。
TAG:北京國丹白癜風醫院 |