里程碑！Nature首次揭示：人類胚胎髮育最初的奧秘

圖片來源：Nature

5月23日，來自於美國洛克菲勒大學的科學家們在《Nature》期刊發表了這一突破性研究。他們繞開人類胚胎研究的倫理限制，將人類幹細胞移植至雞胚胎中。最終，他們證實，藉助這些組織者的發育能力，可以促使雞胚胎髮育出第二套神經系統。

文章作者、洛克菲勒大學的細胞生物學家Ali Brivanlou認為這一結果讓人興奮，因為他們發現來源於不同且相隔甚遠的物種細胞可以共享發育指令。這意味著，組織者在數億年間的進化中依然保守。

doi:10.1038/s41586-018-0150-y

胚胎組織者

關於「組織者」的研究有著很巧妙、傳奇的開始。早在上世紀20年代初，德國胚胎學家Hans Spemann和學生Hilde Mangold試圖研究脊椎動物的胚胎誘導過程。胚胎誘導是發育過程中通過細胞間的相互作用來決定細胞命運、使其定向分化的一個根本想像。

他們以蠑螈胚胎為研究材料，將胚胎的背唇細胞移植到其他蠑螈胚胎的腹部。結果發現，移植的背部細胞會「誘導」或者「組織」鄰近的細胞發育成大腦和脊椎的初始細胞。Hans Spemann將這類胚胎細胞命名為組織者（有時候被稱為Spemann organizers），它們會刺激受體胚胎髮育出第二套神經系統。

「組織者」的發現被認為是發育生物學領域的最重要發現之一，1935年Hans Spemann因此傑出成果榮獲諾貝爾生理學或醫學獎。

人類胚胎的探索

此後，科學家們陸續在青蛙、鳥和小鼠的胚胎中發現了類似的組織者。讓大家真正好奇的是，人類胚胎中是否存在這一特殊的細胞群？受技術能力和學界規則的限制，科學家在實驗室中觀察、操作人類胚胎不得超過14天（國際準則以及英國法律設定的臨界值），但是在這期間無法觀察到組織者細胞，所以這一謎題一直未有答案。

在這項新研究中，Ali Brivanlou課題組與洛克菲勒大學的物理學家Eric Siggia團隊合作找到了一個解決方案，繞開了「14天準則」。他們採集來自於人類胚胎的幹細胞（擁有多向分化潛能的細胞），並將其放置於有特定圖案（只有22毫米寬的小方格）的培養皿中培養，使其生成類似於胚胎的結構。

人類胚胎幹細胞被誘導成類似於胚胎的結構，用於研究生命發育最初期的秘密（圖片來源：Prof. Miodrag Stojkovic/SPL）

與此同時，他們還添加了一系列生長因子，促使其生成早期胚胎中擁有的各種細胞層。結果顯示，在這一類似胚胎的結構中，存在一簇表達有組織者遺傳特徵的細胞。

Ali Brivanlou團隊將這一簇細胞植入發育12小時的雞胚胎（相當於發育14天的人類胚胎）。結果發現，隨著雞胚胎的生長，人類組織者細胞會引導鄰近的雞細胞分化並生成第二套雞神經細胞。

神奇的是，這些來源於人類胚胎的組織者本身的命運是發育成非神經類組織，但是在被移植入雞胚胎之後，它們會直接改變鄰近雞細胞的命運，使其發育成第二套神經系統。

科學家們發現，植入小雞胚胎中的人類細胞（紅色）能夠組織第二個身體的發育。（圖片來源：I. MARTYN ET AL., NATURE 10.1038/S41586-018-0150-Y (2018)）

其他學者的評議

倫敦大學學院的發育生物學家Claudio Stern認為這項研究是一個「技術進步」，將類似於組織者的細胞在人類胚胎之外培育，能夠幫助研究人員解析這類細胞獨特的信號能力。

Bar Harbor Jackson 實驗室的幹細胞研究員Martin Pera認為這一研究技術可以帶來更多的探索，例如更好地理解人類胚胎的早期發育，從而找到導致流產的缺陷。

然而，Ali Brivanlou認為，這一代替方法並不能完全替代組織者在人類胚胎中的發育研究。未來，他希望進一步解析人類組織者細胞影響鄰近細胞的細節。

責編：艾曼

參考資料：

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