原肠动物 猴子一生中“最重要时刻” 胚胎原肠运动首次体外重现

猴子生命中“最重要的时刻”首次在体外重现

《科学》以“研究文章”的形式在网上发表相关研究工作。

图片来自科学官网

我们的记者卢成宽

英国著名发育生物学家路易斯·沃伯特(Louis Warbert)曾说过:“一个人一生中最重要的时刻不是出生、婚姻和死亡，而是肠道运动。”

中国科学院动物研究所等研究人员。，借助该团队多年建立的非人灵长类胚胎体外培养体系，体外培养食蟹猴胚泡，直至出现原肠胚，并进一步发育至受精后20天，再现非人灵长类胚胎体外原肠胚形成。这项研究为理解灵长类动物早期胚胎发育奠定了重要基础，重现了猴子生命中“最重要的时刻”。相关研究成果近日发表在《科学》网上。

子宫“安定”前后，胚泡开始原肠胚的运动，形成原肠胚。照片由受访者提供

一个古老的研究领域，肠运动之谜，逐渐被揭开

那么，原肠胚形成到底是什么？

一言难尽。早期胚胎发育与生命起源有关，一直是生物学研究的热点和难点。哺乳动物交配后，精子和卵子结合形成受精卵。受精卵在输卵管中通过一系列卵裂和分化形成胚泡。随后，胚泡迁移到子宫进行着床。子宫“定居”前后，其部分细胞开始运动、重新排列、分化，从而开始原肠胚的运动，形成三个胚层，即原肠胚。从胚泡发育到原肠胚的过程就是原肠胚形成。

“肠道运动是早期胚胎发育最特殊的阶段，细胞数量会从几百个直接增加到几千个、几万个。”中国科学院院士、动物研究所所长周琦说。

原肠胚形成是胚胎发育中最重要的事件之一，是一个古老而神秘的研究领域。早期发育生物学家对前肠的运动给出了不同的解释，直到20世纪50、60年代才统一了前肠运动的定义，即“细胞有序迁移后分化为三个胚层”。

起初，发育生物学家利用简单的低等无脊椎动物，如海绵、水母、海胆、线虫和果蝇，来研究原肠胚的运动，揭示细胞运动、细胞极化、细胞连接和细胞间通讯等基本的细胞生物学事件。然后以鱼类、两栖动物、哺乳动物等高等脊椎动物为模型，探索原肠运动，原肠运动机制的奥秘逐渐显露。

2016年，来自剑桥的一个研究团队建立了小鼠胚胎植入后的体外培养体系，观察了体外培养的小鼠胚胎前后轴的形成和卵柱的形态发生。该系统为阐明早期胚胎发育和着床后原肠胚形成提供了重要的实验手段。

虽然小鼠胚胎的体外培养体系有了很大的突破，但啮齿类动物的早期胚胎与灵长类动物的早期胚胎有着显著的不同。比如小鼠胚胎植入后，上胚层形成杯状结构，灵长类胚胎形成双层胚盘结构。因此，很难将小鼠原肠胚形成的研究结果直接推导到人类等灵长类动物身上。

胚胎发育的“亮点时刻”可以避开人类胚胎培养14天的伦理限制

肠蠕动是包括人类在内的灵长类动物发展的里程碑。“早期胚胎发育和肠道运动异常常导致妊娠失败和出生后器官缺陷等重大疾病。”该论文的通讯作者、中国科学院动物研究所研究员王红梅说。

但由于伦理限制，体外人类胚胎培养不能超过受精后14天，而灵长类动物的胃运动大多发生在受精后14天，所以生物学家一直对人类胃运动的这一亮点时刻一无所知。

模型动物的应用将对人类理解肠道运动起到不可替代的作用。由于接近人类的遗传和进化，食蟹猴被研究人员选为模型动物，避开了人类胚胎培养14天的伦理限制。

在该项目的开发过程中，研究人员研究并建立了一种新的体外培养系统，可以支持食蟹猴胚胎在体外受精后长达20天的发育。首次证明灵长类胚胎可以在体外发育到前肠而无需母体支持，并再现了灵长类早期胚胎发育的几个关键事件。

研究人员从形态学、标记分子染色、单细胞转录组等方面提供了充分的证据，证明体外发育的食蟹猴胚胎在体内高度复制了胚胎发育过程，包括形成清晰的羊膜腔和卵黄囊结构，然后发生肠运动，形成原始的条状结构，并伴有前后轴结构的差异分化。在体外胚胎发育的第12 ~ 16天也可观察到原始生殖细胞，这在人胚胎体外培养前是没有观察到的。结合单细胞转录组测序分析，本研究首次提供了灵长类早期胚胎发育过程中羊膜细胞的基因表达特征，并重新定义了灵长类早期胚胎的各种细胞类型。

生殖医学的重大突破有助于找出不良妊娠和胎儿畸形的原因

在王红梅看来，这项研究为探索灵长类动物的早期胚胎发育和胃运动开辟了一个全新的研究平台，为人类早期胚胎发育异常等重大疾病的临床药物和再生医学的研发提供了一个潜在的新工具，为人类深入了解胚胎发育机制和探索体外生命提供了重要数据。

中国工程院院士、北京大学第三医院院长巧姐在评论这项研究时说，猴子被认为是研究人类生理和病理的可靠动物模型，它们植入后发育的体外培养体系的建立为研究灵长类动物植入后胚胎发育过程提供了平台，这将大大提高我们对灵长类动物和人类早期胚胎发育及相关疾病的认识，特别是为探索不良妊娠和胎儿畸形的原因奠定了良好的基础。

南京医科大学生殖医学国家重点实验室教授沙家豪也表示:“本研究利用体外胚胎培养技术成功分析了灵长类动物早期原肠胚形成的重要事件，是生殖医学领域的重大科学突破。同时，这一技术突破对于研究人类发育和疾病发生机制具有重要意义。”

这一突破有助于阐明灵长类原肠胚发育的调控机制，同时促进对人类胚胎发育的认知，如三胚层形成、胚胎轴、原始条带、细胞迁移和趋化性、细胞间相互作用等分子调控机制，揭示高等灵长类与低等动物的差异，填补高等动物胚胎发育机制的理论空白。

同时，灵长类动物体外原肠胚形成模型系统的建立，可以从精子、卵子和子宫中筛选致死和致畸因子；还可以帮助了解早期胚胎细胞分化，优化和完善辅助生殖技术，为临床治疗不孕症和预防出生缺陷提供基础理论指导，开发新的治疗方法。由于原肠胚在身体的各个器官中可以分化为三个生殖层细胞，因此对再生医学研究具有重要意义，如研究多能干细胞分化为特定的细胞类型，用于疾病模拟和干细胞治疗。