无需精子和卵子，首个完全由人类干细胞生成的人类胚胎模型问世

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相比其他的一些哺乳动物，人类的生殖效率算是非常低下，曾有研究估计60%的怀孕在受精后的前两周内会失败。

自从体外受精出现以来，人们在整个发育的第一周对人类胚胎进行过比较深入的研究。然而，到了第二周，植入子宫和原肠胚形成准备的过程仍然是一个“黑匣子”。

人类胚胎在植入子宫后形态会发生转变，但由于无法在体内观察胚胎，我们对这一关键阶段的了解受到限制。有没有什么办法建立体外的模型呢？

胚胎的干细胞衍生模型对于研究这些阶段的发育事件和组织-组织串扰是一种重要的工具。虽然小鼠胚胎的研究建立了适合人类胚胎通过植入进行体外培养的条件，但要成功将这种模型复制到人类中还存在不少挑战。

近日，来自英国剑桥大学的科学家及其合作者发表了题为“Transgene directed induction of a stem cell-derived human embryo model”的研究论文，建立了一个由胚胎和胚胎外组织组成的人类植入后胚胎模型。

— 论文首页截图 —

小鼠胚胎干细胞（ESC）可以分别通过Gata4或Cdx2的表达被诱导产生胚外内胚层或滋养层，并且这些细胞能够在3D胚状模型中模拟发育。因此，他们首先确定了是否可以类似地也上调人类ESC中的胚胎外基因。

具体而言，他们用多西环素诱导单个或组合转基因（transgene）为感兴趣的转录因子生成了hESC：即GATA6和SOX17，将hESC变为下胚层样细胞；GATA3和TFAP2C，将hESC变为滋养层样细胞。

给予多西环素24小时后，转录因子的诱导得到验证

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来源：Weatherbee, B.A., et al. 2023

为了进一步表征诱导表达GATA6-SOX17或GATA3-AP2γ的RSeT hESC，他们进行了单细胞10x多组学测序，并同时评估了转录组和染色质可及性。

结果显示，野生型、诱导型GATA6-SOX17和诱导型GATA3-AP2γ RSeT hESC分别与植入后胚胎的外胚层、下胚层和细胞滋养层具有最高的相似性。

通过单细胞转录组和染色质可及性分析表征hESC

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来源：Weatherbee, B.A., et al. 2023

至此，可以说细胞原料已经准备好了，那么可以搭建起胚胎结构了吗？

他们将转录因子过表达产生的两种类型的胚胎外样细胞与野生型胚胎干细胞结合，并促进其自组织形成模仿植入后人类胚胎的结构。这些自组织聚集体包含一个被低成纤维细胞和滋养层样组织包围的多能表成纤维细胞样结构域。

诱导型植入后人类胚胎的产生

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来源：Weatherbee, B.A., et al. 2023

诱导型胚状体是通过将幼稚的胚胎干细胞与转基因诱导的胚胎外谱系相结合而产生的。胚胎可以进行自组织并模拟人体中植入后发育的各个方面，包括管腔生成、多能性退出、羊膜和胚胎外间充质分化以及原始生殖细胞的形成。

通过GATA6（iG6）的单一诱导而不是与SOX17（iG6-S17）一起产生胚状体，可以实现更高的前低成细胞分化率，允许随后的多能性退出和原始条纹状分化。

与人类胚胎相比，诱导型人类胚状体形成和发育的示意图

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来源：Weatherbee, B.A., et al. 2023

这项研究提出了一种模块化、易于处理的人类植入后发育模型，其中的可诱导的人类胚状体在胚胎中能产生多种细胞类型，包括羊膜、胚胎外间充质和原始生殖细胞样细胞。

同期，来自以色列魏茨曼科学研究所的科学家及其合作者发表了题为“Transgene-Free Ex Utero Derivation of A Human Post-Implantation Embryo Model Solely from Genetically Unmodified Naïve PSCs”的研究论文，建立了一个易于处理的基于干细胞的模型，可用于通过实验探究以前无法实现的人类植入前后和植入后早期发育的窗口。

— 论文首页截图 —

首先，他们着手建立了一个平台：通过在人类幼稚PSC中瞬时表达所需转基因来获得胚胎外谱系，其中，植入后早期的原肠胚形成前人类胚胎已经包含胚胎外中胚层隔室（ExEM）。

左图：所测试的诱导方案（iGATA4、iGATA6、iCDX2、iGATA3）和从幼稚多能干细胞（nPSC）产生三种所需胚胎外谱系的培养基条件

右图：早期人类植入后胚胎的方案，包括上胚层（青色）、下胚层（黄色）、ExEM（灰色）和滋养层（品红色）

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来源：Oldak, B., et al. 2023

在建立了对包含原肠胚形成前自然人类胚胎的三个胚胎外谱系的快速有效的体外诱导后，他们继续测试了它们仅从幼稚多能干细胞（nPSC）形成胚胎样结构的能力。

在人类胚胎中，受精后11-12天（11-12 dpf），胚胎盘分离为腹侧假分层外胚层和背侧鳞状羊膜（Am）。受精后13-14天，有组织的人类干细胞衍生胚胎模型（SEM）展现了胚胎发生的植入后阶段的关键特征。

a：来自卡内基收藏和人类胚胎发育计划的解剖切片

b：人体早期植入后扫描电镜生成的方案

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来源：Oldak, B., et al. 2023

人类植入后SEM仅由非转基因原始PSC自组织，ExEM扩张使初级卵黄囊（PYS）重塑为次级卵黄囊（SYS），并形成结缔茎（St），该结构穿过绒毛膜腔，将双层椎间盘固定在绒毛膜上，随后形成脐带。所有上述管腔的3D扩张，以及胚胎外组织的生长，都可被观察到。

c：SEM的代表性明场图像显示了内部胚胎结构的形成

d：SEM的免疫荧光图像

f：第8天SEM的3D重建

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来源：Oldak, B., et al. 2023

和前一篇研究类似，他们也进行了单细胞测序和分析，以便研究人类SEM细胞的组成和特性。该分析验证了植入后的Epi、YS、ExEM和Tb，以及其他转录组状态的出现，如羊膜、Hb/YS和后Epi。

可以说，尽管这些跨数据集、跨平台的比较分析存在局限性，但总体来说支持这样一个结论，即人类SEM概括了早期人类植入后胚胎的谱系分化。

由5个人类胚胎数据集组成的综合人类胚胎参考的UMAP

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来源：Oldak, B., et al. 2023

综上所述，他们通过关键的适应性调整，仅使用了未经基因修饰的人类原始PSC，从而规避了谱系促进转基因异位表达的需要。

这种整合的人类SEM表现出了植入后早期人类胚胎的所有已知区室的组织，包括外胚层、下胚层、胚胎外中胚层和后几层周围的滋养层。

这些模型的成功构建标志着体外胚胎研究的重要一步，对植入后发育进行机制研究有望在未来得到更深层的推进！

参考资料

[1]. Weatherbee, Bailey AT, et al. "Transgene directed induction of a stem cell-derived human embryo model." bioRxiv (2023): 2023-06.

[2]. Oldak, Bernardo, et al. "Transgene-Free Ex Utero Derivation of A Human Post-Implantation Embryo Model Solely from Genetically Unmodified Naive PSCs." bioRxiv (2023): 2023-06.

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作者：古古古

审校：南风 | 咏彤

声明：本文仅作为科普，拒不接受商业用途的转载申请，亦不构成任何建议。

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