新培養系統發現，早期人類胚胎中細胞擁擠程度影響細胞身份決定

新的培養系統發現，早期人類胚胎中細胞擁擠程度影響細胞身份決定

研究重點:

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該研究所與Wellcome-MRC劍橋干細胞研究所合作開發了一種細胞培養系統，可以根據細胞密度將人類多能干細胞分化為羊膜外胚層和表面外胚層。

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羊膜外胚層形成羊膜，包裹并保護胚胎。相反，表面外胚層產生身體外表面的組織，如表皮、頭發和指甲。這些不同的胚胎組織在表達模式和信號需求方面彼此相似，但其相似性的生物學意義尚未被理解。

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利用新的培養方法，研究了羊膜外胚層與表面外胚層的發育關系。單細胞RNA測序分析表明，從表面外胚層到羊膜外胚層的順序分化受細胞密度的影響。

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這項研究提供了胚胎和胚胎外人類發育如何在原腸胚形成周圍協調的綜合理解。這也為改進羊膜和表面外胚層的制備方法提供了一條途徑，并為更好地代表人類胚胎的基于干細胞的綜合胚胎模型鋪平了道路。

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Shota Nakanoh博士在研究所的Teresa Rayon博士的實驗室和劍橋干細胞研究所的Ludovic Vallier教授的實驗室合作進行了一項研究，確定了早期人類胚胎中細胞擁擠的程度會影響細胞是發展為胚胎外細胞還是成為胚胎的一部分并最終發育成皮膚、頭發和指甲。這項研究發表在最新一期的《科學進展》雜志上。

該項目的首席研究員Nakanoh博士將新的培養方法與三維培養和單細胞RNA測序分析相結合，使用人類多能干細胞(hPSC)來了解更多關于在原腸胚形成前后(受精后約兩周)人類胚胎中羊膜和表面外胚層如何產生的信息。

相似但不同的組織——羊膜和表面外胚層的奧秘

羊膜外胚層是在發育中的胚胎周圍形成膜的單細胞層。它也為人類胚胎發育提供了必要的信號，然而，人類羊膜是如何形成的仍不完全清楚。

表面外胚層是一層致密的表皮祖細胞，它形成了身體的表面覆蓋物，如皮膚，以及牙齒、頭發和指甲等相關特征。如果生產它的技術能夠得到改進，它的人工生產將具有醫學意義。

羊膜細胞和表面外胚層細胞在發育的早期階段是特化的，并且在很大程度上具有相同的生物學特征，如基因表達模式和信號需求。為什么這些不同的組織如此相似，以及它們在發育過程中如何分化，一直是個謎。

細胞擁擠影響細胞身份

Nakanoh博士為人乳頭狀細胞定制了培養條件，發現補充激活素A、BMP4、gsk3 - β抑制劑和MEK抑制劑促進了它們向羊膜外胚層的分化。利用共培養技術形成細胞聚集體，他能夠確認生成的羊膜外胚層細胞啟動原腸胚形成的能力。單細胞RNA測序分析也提示了羊膜外胚層的分化途徑，其中表面外胚層基因在羊膜外胚層基因程序激活之前表達。

在CSCI生物信息學主任Irina Mohorianu博士的專業知識下，將基因表達數據與處于可比發育階段的靈長類胚胎的公開數據進行了比較，驗證了培養系統中產生的細胞類型，證明了它們與相應胚胎組織的相似性。此外，我們還觀察到了靈長類胚胎從表面外胚層狀態到羊膜外胚層狀態的發育途徑。

最重要的是，Nakanoh博士發現兩種細胞類型的區別取決于細胞密度;細胞在稀疏條件下變成羊膜外胚層的地方。相反，高密度培養導致細胞表達表面外胚層標志物，而不表達羊膜外胚層標志物。這些細胞也能夠分化為下游表皮細胞類型，角質形成細胞，這代表了皮膚中的關鍵細胞類型。研究人員測試了培養基的變化，但細胞密度是影響羊膜外胚層和表面外胚層細胞命運選擇的**因素。

研究小組還發現，新的培養系統產生了類似胚胎外中胚層的細胞，這種細胞在人類胚胎中尚未得到很好的表征。

Rayon實驗室的博士后研究員Shota Nakanoh博士說:“羊膜保護胚胎，提供關鍵的發育線索，而表面外胚層則是成年人身體的重要組成部分。”這兩種細胞類型都具有很高的臨床價值，是成功建立人類胚胎體外模型的重要因素。雖然有將細胞分化為羊膜細胞或表面外胚層細胞的方案，但研究人員無法明確區分這些細胞類型。我們關于細胞密度作為關鍵調節因子的發現填補了這一知識空白，從而使我們更確定產生感興趣的細胞類型。”

將這種細胞擁擠效應應用到發育中的人類胚胎中，研究人員提出了這些相似的組織是如何在原腸胚形成前的胚胎中分化的，其中羊膜外胚層形成為具有相對少量細胞的松散薄片，而表面外胚層形成為連續的致密細胞薄片。

建立更好的干細胞胚胎模型

正確指定羊膜形成的方法對于能夠盡可能地利用基于干細胞的胚胎模型概括人類胚胎發育非常重要。這些模型越來越多地被用于探索人類胚胎研究技術和監管限制之外的人類發展。

特雷莎·雷揚博士是研究所表觀遺傳學研究項目的終身研究員，她說:“我們最近才開始探索人類發育過程中羊膜的生成。這些發現促進了我們對如何在體外實驗室中產生胚胎外細胞的理解，并揭示了在與人類發育的“黑箱”相對應的階段驅動細胞類型形成的機制。鑒于人們對使用干細胞胚胎模型作為人類胚胎的替代品越來越感興趣，這項工作為成功建立綜合模型提供了更多的知識。”

現任柏林慈善健康研究所(BIH)干細胞再生療法教授的Vallier教授說:“我們的培養系統還能產生胚胎外中胚層，這是另一種在人類胚胎中沒有得到很好研究的組織。它將提供對人類發展的更好理解，并可能提高我們對影響胎兒生命**步的疾病的認識。這項工作也為細胞密度在細胞命運決定中的作用的新研究打開了大門。”

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