《细胞》：中外科学家利用食蟹猴胚胎体外培养模型揭示灵长类早期神经胚发育特征

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中国日报5月12日电（记者 张之豪）2023年5月11日，中国科学院动物研究所/北京干细胞与再生医学研究院王红梅研究员、郭帆研究员、李伟研究员和美国宾夕法尼亚大学Nicolas Plachta教授，于Cell在线发表了题为"Neurulation of the cynomolgus monkey embryo achieved from 3D blastocyst culture"的文章。在这项研究中，研究者建立了一个可支持食蟹猴胚胎体外发育至受精后25天的3D长时程培养体系，并基于该体系探究了灵长类胚胎中晚期原肠运动和早期神经发育过程中的核心事件和谱系特征。中国科学院动物研究所副研究员翟晶磊、博士研究生徐艳红、助理研究员万海峰、博士研究生燕蕊、博士研究生郭敬以及美国宾夕法尼亚大学博士后Robin Skory为本文共同第一作者。

出生缺陷是指胎儿出生前，在母体子宫内生长发育异常，导致出生时就已具有的先天缺陷。出生缺陷是婴儿死亡的首位原因，严重影响国民生存、生活质量以及人口素质。有数据显示，当前已知的出生缺陷疾病超过8000种，我国每年出生人口千万左右，每年新增出生缺陷儿约90万，每30秒钟就会有一名缺陷儿出生，其中神经管畸形是常见的一类出生缺陷。出生缺陷的发生与早期胚胎发育异常直接相关。因此，研究早期胚胎发育过程、探究发育机理，是揭示病理性胚胎发生机制，提升相关疾病诊疗效率，从根源上提高人民健康水平的重要前提。

但鉴于人类胚胎体外研究必须在胚胎期第14天终止的伦理限制，体外培养的人类胚胎不能被用于研究胚胎期第14天之后，原肠运动和早期神经胚发育等事件的研究。非人灵长类与人类在进化上和发育生物学特征上高度相似，因此搭建非人灵长类胚胎体外培养体系将至关重要，可以借此来揭示非人灵长类胚胎发育特征，极大提升我们对包括人类在内的灵长类早期胚胎发育及相关疾病的认识。

2019年，王红梅团队及国内外同行将食蟹猴胚胎体外培养至胚胎期第20天，探究了灵长类早期原肠运动特征。本次发表的研究再次突破，把食蟹猴胚胎体外培养至胚胎期第25天。

研究者首先构建了可延长食蟹猴胚胎体外发育时程的培养体系。在胚胎期第10-12天的培养基中加入Matrigel，优化后的体系能支持33.7%（n = 91）的食蟹猴胚胎发育到胚胎期第25天，该体系被命名为3D长时程培养体系。

利用此体系，研究者进一步了探究灵长类早期神经胚发育过程。对神经系统发育关键调控因子进行鉴定结果显示，pIVC胚胎的神经管形态和多种分子表达特征与体内相同发育阶段的胚胎相似。伴随神经外胚层的发育，pIVC胚胎的表皮和神经板边缘的发育同步进行。同时，还证实 pIVC 胚胎可重现神经管沿背腹轴区域化发育的模式。

除外胚层和神经管发育外，研究者还检测了pIVC胚胎中原始生殖细胞和中、内胚层的发育特征。结果提示与相同发育阶段的体内正常胚胎相比，pIVC胚胎的分子表达特征与正常胚胎相似，表明pIVC胚胎可重现原肠运动中晚期阶段中胚层和内胚层的发育。

最后，研究者进一步利用单细胞多组学测序技术，对9个pIVC胚胎的单细胞的转录组和DNA甲基化和染色质可及性进行测序和分析。结果提示，与本团队2022年在Nature杂志报道的相同发育阶段的食蟹猴胚胎单细胞转录组数据库相比，pIVC胚胎可重现体内正常胚胎的转录组特征，各种细胞类型的基因均发生了甲基化，且胚胎组织的DNA甲基化水平（~75%）高于胚外组织（~50%），与已报道的小鼠和人类胚胎特征相似。

本研究建立了可支持食蟹猴胚胎体外发育至胚胎期第25天的3D pIVC体系，基于该体系揭示了灵长类胚胎中晚期原肠运动至早期神经胚发育阶段胚胎的形态、细胞组分、转录组、DNA甲基化和染色质可及性等特征。该研究在已有体内研究的基础上进一步填补了灵长类胚胎中晚期原肠运动至早期器官发育阶段的领域空白，为灵长类胚胎体外培养和基于干细胞构建的"类胚胎"的体外培养提供了参考体系，为深入了解人类早期胚胎发育机制，以及早期胚胎发育异常相关疾病的病理研究提供了技术平台。

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