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小鼠早期胚胎发育可以分为植入子宫前和植入子宫后两个发育过程。在植入子宫前，小鼠胚胎经历了从单细胞受精卵到多细胞囊胚的发育过程，胚胎在透明袋中沿着输卵管向子宫方向移动，在植入子宫前4.5天的缓慢发育过程中，胚胎发生了两次细胞命运决定事件，分化形成了三个细胞谱系，分别是表胚层 (EPI)、滋养外胚层(TE) 和原始内胚层(PrE)（图1）【1】。 图1胚胎植入子宫前的发育过程 与此同时，子宫也做好了接受胚胎着床的准备，一旦胚胎植入子宫后，胚胎细胞会快速增殖分裂，细胞数目快速增长，胚胎形态发生急剧改变，随之发生原肠化，形成卵柱形的原肠胚。最终表胚层EPI会发育形成整个胎儿本身，滋养外胚层TE发育形成了胚外组织胎盘，而胚外内胚层PrE则主要发育为了包裹胎儿和胎盘的卵黄囊结构（图2）【2】。 图2胚胎植入子宫后的发育过程 将小鼠E3.5天囊胚在体外培养，可以得到三种具有无限增殖和多向分化能力的干细胞系，分别是来自于表胚层(EPI)的胚胎干细胞系(ESC)，来自于滋养外胚层(TE)的滋养层干细胞(TSC)和来自于原始内胚层(PrE)的胚外内胚层干细胞(XENC)（图3）【3】。多细胞生物的发育不仅包含复杂的细胞分化过程，而且分化细胞还必须有秩序地组织在一起，才能实现生物复杂形态的构建和发挥他们的正常功能。细胞和组织水平的自组织作用在发育的形态构建中占有重要的地位，是发育的重要机制之一【4】。 图3体外培养的三种干细胞 虽然我们对胚胎发育了解颇多，但是胚胎植入子宫过程中胚胎发育变化较快和子宫环境变化复杂，因此我们对胚胎着床过程仍有很多未知。1月30日，来自中国农业大学生物学院农业生物技术国家重点实验室的韩建永教授团队在Nature Communication杂志上发表了题为Implantation initiation of self-assembled embryo-like structure generated using three types of mouse blastocyst-derived stem cells 的研究论文，利用囊胚来源的三种多能性干细胞聚合形成了胚胎样结构组织并模拟了正常胚胎植入子宫后的发育和发生过程。这对于研究细胞间相互作用，胚胎发生和发育，胚胎着床和组织再生等研究都提供了一个全新和高效地研究模型系统。 研究人员首先研制了一种简易、快速、高效聚合细胞的水平悬浮震荡培养系统（图4），利用这一培养系统作者可以在3.5cm细胞培养皿中批量快速生产大量人造胚胎。作者首先在体外利用囊胚来源的三种多能性干细胞聚合形成了胚胎样结构组织并模拟了正常胚胎植入子宫后的发育和发生过程。在体内，聚合胚胎移植子宫后可以起始胚胎着床。 图4非粘附水平悬浮震荡培养系统 作者首先利用了ES和XEN两种细胞聚合形成了EXE-胚胎样结构，结果显示EXE-胚胎与正常胚胎来源的EPI-explant在结构形态、体积大小都极为相似，并且EXE-胚胎也能够形成基膜结构，发生极化成腔(图5)。 图5 EXE-胚胎与胚胎来源EPI-explant形态结构 而利用三种干细胞(ES、TS和XEN细胞)聚合形成了ETX-胚胎样结构，结果显示ETX-胚胎与正常胚胎不仅在形态结构，体积大小都极为相似(图6)，而且还具有与正常胚胎原肠化过程相似的发育能力，包括基膜结构和前羊膜腔的形成，DVE/AVE样结构形成，中胚层细胞和生殖细胞前体细胞特化等发育过程(图7)。 图6 ETX-胚胎与正常胚胎的形态结构 图7.正常胚胎与ETX-胚胎发育过程示意图 单细胞qPCR分析结果显示，体外培养24h的ETX-胚胎中TS细胞已经表达了胚胎着床的信号，所以作者将起始聚合的胚胎进行了子宫移植后发现，聚合胚胎可以有效地起始胚胎着床，使子宫发生蜕膜化反应，血管通透性增加，建立正确的胚胎胚轴方向，滋养层细胞浸润子宫上皮细胞并与子宫建立联系。随后通过石蜡切片在子宫蜕膜中也发现了与E5.5天正常胚胎结构相似的ETX-胚胎。作者最终证明了聚合胚胎能够有效地起始胚胎着床反应，进而为胚胎着床研究提供了良好的模型。 该研究成果揭示了利用细胞聚合生产人造胚胎的全新方法，可以应用于其他组织和器官的重构，并且为研究细胞间相互识别，胚胎发生和发育，器官和组织再生、胚胎着床提供了全新研究模型，有助于我们快速应用于筛选药物和致畸实验，胚胎着床和控制机制、新发育基因的发现等。 据悉，韩建永教授为通讯作者，张少鹏博士和陈天直博士为该论文的共同第一作者。 |
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