研究背景

    由于受到伦理和技术条件限制，我们对早期人胚胎发育过程的认知仍然有限。近年来，可再现人早期胚胎发育的干细胞衍生胚胎样结构(或称胚状体)逐渐成为研究人类发育的重要替代方案。2019年，傅剑平课题组在Nature上发表文章“Controlled modelling of human epiblast and amnion development using stem cells”，介绍了他们开发的微流体着床后羊膜囊胚样（microfluidic post-implantation amniotic sac embryoid，μPASE）系统。该装置和培养方案可以用高度可控、可重现的方式分化产生PASE。该系统可在微流体中的凝胶凹槽中分化出囊胚结构，中央形成一个中空的腔体结构，类似羊膜前腔。当添加不同诱导因子后可出现不同的囊胚结构：1、在一侧添加BMP4诱导可形成极化结构，一侧是羊膜上胚层样细胞，另一侧分化出原始生殖细胞和原条样细胞；2、同时添加BMP4、noggin、IWP2诱导一侧形成羊膜上胚层，另一侧则保持多能性的上胚层样细胞。

科学问题

    1) uPASE是否可以再现人胚胎早期发育？

    2) 早期人胚胎发育的路径和关键调控因子是什么？

内容概述

    本研究对不同时间点的μPASE进行了单细胞转录组分析。作者构建了从人类上胚层到羊膜上胚层、原条/中胚层和原始生殖细胞谱系的多样化分子图谱，并研究了不同谱系的发育轨迹以及信号通路。通过假时间分析表明，羊膜样细胞谱系是从胚胎上胚层样细胞（EpiLC）→羊膜样细胞（NasAMLC）→羊膜样细胞1(AMLC1)→羊膜样细胞2( AMLC2）；中胚层样细胞谱系是从胚胎上胚层样细胞→原条样细胞(PSLC)→中胚层样细胞1/2(MeLC1 / MeLC2)，并验证了WNT信号通路在原条/中胚层发育以及原始生殖细胞命运决定中具有重要作用。同时还将μPASE与cs7期人原肠胚数据进行比较，发现两者具有相似的细胞簇，且各细胞类型的关键谱系标记表达模式是一致的。作者还从黑猩猩的多能干细胞中诱导分化C-μPASE，发现其以类似人μPASE的模式分化出羊膜和上胚层结构，不同的是C-μPASE还出现了内胚层样细胞。另外，通过单细胞转录组数据的详细分析以及NODAL-KO细胞系验证，作者还发现了NODAL-KO的μPASE中羊膜样细胞占主导而中胚层明显减少，原始生殖细胞还存在但占比下降，揭示了NODAL信号通路在原条样细胞发育中发挥关键作用。最后，由于在体内囊胚滋养层细胞和原肠胚形成前羊膜细胞具有相似的扁平鳞状上皮形态，并且这两种细胞类型共享许多谱系标记难以区分，作者通过对cs7人原肠胚和人囊胚中的滋养层细胞数据分析，总结出Trophoblast-Amnion基因列表，提出一系列可准确区分这两种细胞类型的生物学标记。

    综上所述，作者构建了高度可控、可重现的微流控羊膜囊胚样模型，分析了人和黑猩猩的单细胞转录特征，发现并验证了NODAL信号在人类中胚层和原始生殖细胞命运决定中的关键作用，并提出了区分滋养上胚层和羊膜上胚层的确切分子标记。同时作者也提出μPASE模型存在一些不足，例如缺乏着床后人类胚胎中存在的一些关键的胚胎和胚胎外谱系，包括下胚层（或胚胎外内胚层）、胚胎外中胚层和滋养层细胞；μPASE在培养超过48小时后会发生分解并失去其胚胎样结构。

启示

    干细胞可分化为人体组织和胚胎样品的能力，可能越来越被重视。预计将来研究人员会优化体外培养条件，利用干细胞模拟稍晚期人胚胎发育。微流控、单细胞分析和干细胞分化技术相结合会帮助我们更深入理解人胚胎发育。

原文链接：https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(22)00345-9

注：本文仅为作者个人解读，如有纰漏，请参照原文。

撰文：李夏琳

审核：章梅