Nature：人和豬胚胎類似性揭示出人早期發育階段的關鍵細節

在一項新的研究中，來自英國劍橋大學和諾丁漢大學的研究人員證實豬胚胎和人胚胎細胞在它們的早期發育階段如何表現出顯著的類似性。通過結合這兩種模型，他們希望改進人們對小兒生殖細胞腫瘤和胎兒畸形等疾病起源的理解。相關研究結果於2017年6月7日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Principles of early human development and germ cell program from conserved model systems」。

作為卵子和精子的前體細胞，原始生殖細胞是著床後在人胚胎中出現的最早細胞之一，在大約17天時出現，而周圍的細胞繼續形成人體的其餘部分。然而，人們對它們是如何起源的知之甚少。當前，法律禁止培養超過14天的人胚胎，這會阻止對原始生殖細胞產生和隨後的原腸胚形成等事件的研究。

如今，科學家們結合使用人和豬發育模型來闡明這些事件。他們首次證實兩個關鍵基因之間的相互作用對這些原始生殖細胞形成是至關重要的，而且這種「基因組合」並不是在所有物種中都是一樣的。

首先，通過在體外使用人多能性胚胎幹細胞，劍橋大學維爾康基金會/格登研究所的Azim Surani教授和同事們建立一種模擬發育到原腸胚形成過程中發生的遺傳變化和細胞變化的模型。人多能性胚胎幹細胞是在胚胎中發現的「主細胞（master cell）」，有潛力變成人體中幾乎任何一種細胞類型。

鑒於這些幹細胞能夠發生增殖並且能夠對它們進行準確地基因操縱，這種模型系統提供一種強大的工具來對人細胞在早期發育期間如何轉化為不同的細胞類型和哪些變化可能導致人疾病進行詳細的分子分析。

這項研究證實當胚胎髮育到原腸胚形成時，細胞暫時地獲得形成原始生殖細胞的潛力，但是在此後不久就喪失了這種潛力，相反獲得形成血細胞和肌肉細胞前體細胞（中胚層細胞）或腸道細胞、肺細胞和胰腺細胞前體細胞（內胚層細胞）的潛力。這種模型也揭示出儘管基因SOX17和BLIMP1對生殖細胞命運是至關重要的，但是SOX17隨後在內胚層組織產生中發揮著另一種作用。

然而，為了準確地描述胚胎如何發育，理解細胞在正常胚胎的三維環境中如何表現是有必要的。通過研究最常見使用的小鼠胚胎，這一點是不能夠實現的。小鼠胚胎是由圓柱體形狀的卵子發育而成的，而人胚胎具有平面的圓盤形狀。另一方面，豬胚胎能夠容易獲得，類似於人胚胎那樣發育成平面的圓盤形狀，而且在倫理上比研究非人靈長類動物（猴子）胚胎更容易為人所接受。

來自諾丁漢大學的研究人員仔細分析了豬胚胎在在不同的發育階段時的完整平面圓盤結構，並且發現這些胚胎的發育在體外的人胚胎模型中的觀察結果和體外的非人靈長類動物胚胎幹細胞相匹配。比如，正如從人胚胎模型中預測到的那樣，豬生殖細胞在原腸胚形成過程中出現，而且也表達人生殖細胞中的相同關鍵基因。人生殖細胞和豬生殖細胞也都表現出這種細胞譜系的關鍵特徵，包括啟動重編程和重設表觀基因組，並且作為生殖細胞進行發育而產生卵子和精子。

用於研究早期發育和細胞命運決定的人胚胎模型和豬胚胎模型可能反映了子宮中的人早期胚胎內發生的關鍵事件。總而言之，利用這種方法獲得的知識能夠應用於再生醫學之中：獲得相關的人細胞類型，它們可能被用來協助理解和治療人疾病，以及理解破壞早期發育的突變如何能夠導致人疾病。

諾丁漢大學生物科學學院的Ramiro Alberio博士說，「我們展示了卵子和精子的前體細胞如何在豬和人體內產生。豬和人具有類似的胚胎髮育模式。這提示著豬能夠是研究早期人胚胎髮育和改進我們對遺傳病起源的理解的一種完美的模型系統。」

格登研究所Surani實驗室研究員Toshihiro Kobayashi博士補充道，「我們當前不被允許研究超過14天的人胚胎髮育，這意味著在我們的發育中的某些關鍵階段仍然是個謎。人和豬發育之間存在的顯著類似性提示著我們可能不久就能夠揭示出一些我們的長期懸而未決的問題的答案。」

來源：生物谷

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