Cell Stem Cell | 基于原始多能干细胞模型的人类下胚层细胞谱系研究

2024-07-08

细胞疗法临床研究

引言在早期人类胚胎发生时，受精卵经历连续的细胞分裂、细胞分化和空间排列，形成一个中空的球形结构，即囊胚。囊胚包括三个主要的细胞谱系：外胚层、滋养外胚层和下胚层 (也称为原始内胚层)，它们将分别发育成胚体、胎盘和卵黄囊。通过小鼠研究，已经建立起整套胚胎着床前的胚胎发生过程序列谱系分离模型。第一个谱系分离，将胚胎外滋养外胚层与内细胞团 (inner cell mass，简称ICM) 分开【1-4】，随后是第二个“是或否”的二元命运决定分离，ICM分解为初始外胚层和下胚层【5-7】。形态学观察、免疫染色和人类胚胎单细胞转录组分析的相关研究表明，序列谱系分离模型在人类中广泛成立。人类滋养外胚层的分离开始于桑葚胚受精后第4天左右 (day 4 after fertilization，简称4 dpf) ，随后是胚泡ICM中6-7 dpf左右的下胚层谱系分离。跨物种比较研究揭示了谱系保守性和人类特异性特征。然而，由于获得人类胚胎、适用方法和伦理考虑的限制，对控制人类次胚系分离的调节机制的了解是不完整的。鉴于下胚芽衍生物在支持和塑造灵长类胚胎中起着不可或缺的作用，了解这一谱系是如何出现和发展的至关重要。 2024年7月5日，来自应该University of Exeter的Ge Guo研究组在上Cell Stem Cell上发表了文章Naive pluripotent stem cell-based models capture FGF-dependent human hypoblast lineage specification的，报道了原始人类多能干细胞 (Human pluripotent stem cells，简称PSCs) 向下胚层细胞的分化过程，还确定了在体外分化过程中，决定人类胚胎中细胞命运转变的转录组轨迹，并揭示了下胚分化所需的成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，简称FGF）信号转导窗口。人类多能干细胞及其胚胎模型是研究细胞命运规律的重要工具。在6-7dpf囊胚中，人类原始PSCs与外胚层具有普遍的相似性。作者发现，与小鼠胚胎干细胞 (embryonic stem cell，简称ESC) 相比，在PXGL培养基中培养的人类原始PSCs保留了更大程度的发育可塑性。抑制MEK/ERK (PD0325901)，并辅以抑制Activin/Nodal信号 (A83-01)，可使未成熟的PSC向滋养外胚层分化。有趣的是，暴露于PD0325901和A83-01 1天后，可以培养出细胞混合物，且含有囊胚中所有三种细胞谱系，包括一小群下胚层样细胞（hypoblast-like cells）。这种细胞的可塑性已被利用来形成三维结构，所获得的类似囊胚的类器官，也被称为胚状体（blastoids），与着床前胚胎在形态上和转录谱上都具有相似性。参与滋养外胚层体外分化的信号通路已经有所报道，但原始的PSC向下胚层分化的途径尚不清楚。此外，另一关键问题是体外分化过程与胚胎的下胚层细胞谱系发育的相关性。在这里，作者描绘了体外原始PSC向下胚层分化的轨迹，并将其与胚胎谱系分离进行了比较。作者在这里表明，原始PSC向下胚层细胞分化的过程是通过向过渡的ICM样状态的逆转进行的，从这种状态开始，下胚层细胞的出现与人类囊胚的发育轨迹一致。作者还探讨了FGF信号的作用，该信号对于小鼠的低成纤维细胞分化至关重要，但之前认为在人类中不太重要。重新研究人类胚胎中的FGF信号表明，抑制早期囊胚可以抑制了下胚层形成。在体外，通过限制滋养外胚层和外胚层的命运可以协同增强下胚层的诱导。这一发现是之前工作的有力补充，并建立了小鼠和人类之间谱系规范的保守性。综上所述，作者的工作证明了原始PSCs向下胚层细胞的分化过程，并且绘制了在体外分化过程中，决定人类胚胎中细胞命运转变的转录图谱，还揭示其中FGF信号的转导窗口。这项工作还表明，基于人类原始PSC的细胞模型，在阐明早期人类胚胎发生的机制方面具有明显价值。机制模式图（Credit: Cell Stem Cell）参考文献 1. Dyce, J., George, M., Goodall, H., and Fleming, T.P. (1987). Do trophecto- derm and inner cell mass cells in the mouse blastocyst maintain discrete lineages? Development 100, 685–698. https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1242/DEV.100. 4.685. 2. Nichols, J., and Gardner, R.L. (1984). Heterogeneous differentiation of external cells in individual isolated early mouse inner cell masses in cul- ture. J. Embryol. Exp. Morphol. 80, 225–240. https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1242/ DEV.80.1.225. 3. Gardner, R.L., and Nichols, J. (1991). An investigation of the fate of cells transplanted orthotopically between morulae/nascent blastocysts in the mouse. Hum. Reprod. 6, 25–35. https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1093/ OXFORDJOURNALS.HUMREP.A137254. 4. Rossant, J., Chazaud, C., and Yamanaka, Y. (2003). Lineage allocation and asymmetries in the early mouse embryo. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 358, 1341–8; discussion 1349. https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10. 1098/rstb.2003.1329. 5. Chazaud, C., Yamanaka, Y., Pawson, T., and Rossant, J. (2006). Early Lineage Segregation between Epiblast and Primitive Endoderm in Mouse Blastocysts through the Grb2-MAPK Pathway. Dev. Cell 10, 615–624. https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1016/J.DEVCEL.2006.02.020. 6. Plusa, B., Piliszek, A., Frankenberg, S., Artus, J., and Hadjantonakis, A.K. (2008). Distinct sequential cell behaviours direct primitive endoderm for- mation in the mouse blastocyst. Development 135, 3081–3091. https:// doi.org/10.1242/DEV.021519. 7. Gardner, R.L., and Rossant, J. (1979). Investigation of the fate of 4$5 day post-coitum mouse inner cell mass cells by blastocyst injection. J. Embryol. Exp. Morphol. 52, 141–152. https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1242/DEV.52. 1.141. https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1016/j.stem.2024.05.003 责编|探索君排版|探索君文章来源|“BioArt” End 往期精选围观一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版）热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述