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中国科学家真是厉害了！ 今日，《自然》杂志刊登了北大汤富酬课题组与乔杰课题组的最新研究成果，研究者们利用单细胞转录组学、DNA甲基化组学和体外模拟胚胎着床方法，首次重构了人类胚胎着床过程中的分子规律，打开了这一关键发育阶段的黑匣子[1]。 胚胎着床是哺乳动物胚胎发育过程中的里程碑事件，也是人类早期流产的重要原因之一。因为着床发生在受精卵形成后一周左右，获得生理状态下的人类胚胎是非常困难的，而动物研究又有着不可跨越的物种差距，可以说着床期间的胚胎分子动态始终被一团迷雾笼罩着。 这次研究者们成功在体外模拟了胚胎着床，系统分析了来自65个人类胚胎的八千多个体细胞，揭示了基因表达调控网络和DNA甲基化动态变化，为研究早期人类胚胎发育提供了宝贵的数据，也为多能干细胞分化与发育研究提供了重要的线索。 继上次解析胚胎早期基因组甲基化动态，该团队再次完成了一个世界首次，给他们点赞！ 太长不看划重点 1、胚胎着床后不同谱系的细胞表现出独特的发育特征，多与胚胎形态发生和妊娠有关，表明胚胎准备与母体构建连接； 2、胚胎着床期已经启动X染色体剂量平衡，雌性胚胎的父源/母源X染色体随机失活，同时X染色体表达上调，但并未达成与常染色体的剂量平衡； 3、胚胎着床期不同谱系细胞具有独特的甲基化特征、甲基化水平与基因特征均有不同，说明在着床后甲基化参与调控关键基因转录，共同决定不同细胞谱系的发育过程。 本次研究使用到的胚胎来自捐献，在体外培养系统中发育至12/14天，随后依据国际伦理学准则终止实验。发育期间，研究者对不同阶段的胚胎细胞进行了单细胞RNA转录分析和DNA甲基化分析。 受精卵经多次卵裂形成具有特定结构的囊胚，由外滋养层细胞（TE）和内细胞团（ICM）组成。着床后，内细胞团进一步分化成具有多能性的上胚层（EPI）和原始内胚层（PE），外滋养层细胞则发育成滋养外胚层。 这就是今天这项研究主要分析的三种细胞谱系了。  实验流程  不同时期胚胎的形态学特征  不同时期胚胎的免疫荧光图像 不同谱系细胞的发育特征 实验中，胚胎成功在体外培养系统中发育至12/14天，并表现出了特异性的着床后特征。利用已知细胞谱系标志物鉴定，显示胚胎基本维持了上胚层、原始内胚层和滋养外胚层三个主要的细胞谱系。 转录组学数据显示，不同谱系细胞具有独特的基因表达特征，比如说上胚层细胞有明确的多能性转变，原始内胚层开始表达CD44等卵黄囊发育相关基因，滋养外胚层开始表达CGB家族等荷尔蒙相关基因。 这些与形态发生和妊娠有关的基因表明，胚胎在着床这一阶段开始逐渐呈现出与母体连接的准备。 此外，各细胞谱系的表达特征也与之前的食蟹猴研究有重合。  各细胞谱系独特表达特征 X染色体剂量平衡 在发育过程中，由于不同性别胚胎含有的X染色体数量不同，为了平衡X染色体上基因表达产物的水平，机体会进行主动的调整。 比如说，在雌性胚胎中，常存在单条X染色体失活的现象，以保证基因表达量与雄性胚胎一致；随后，为与常染色体平衡，性染色体表达量再次翻倍。 研究者检测了多个阶段的胚胎，并且追踪了父母源等位基因的表达，发现在着床阶段，雌性胚胎中的父源/母源X染色体其一随机失活，同时X染色体表达上调已经开始，但是并未达到平衡。  雌性胚胎X表达水平还未达到平衡 不同细胞谱系DNA甲基化动态 根据DNA甲基化特征，研究者把胚胎细胞大致分成4个主要群体，分别为囊胚期细胞、着床后的上胚层、着床后的原始内胚层和着床后的滋养外胚层。 可以看出，在着床期前，主要的三个细胞谱系具有相似的甲基化模式，在着床后则各自获得了独特的甲基化特征。 经过对比，研究者发现三个细胞谱系从头甲基化水平差异非常大。着床前后，上胚层DNA甲基化水平从26.1%升高至60%，滋养外胚层从23.5%上升到46.3%，但是原始内胚层仅由27%上升至36.8%。 研究者认为，这表明甲基化在特定细胞谱系的发育中有重要作用，它与基因组转录共同决定了细胞的发育潜能。  不同细胞谱系甲基化动态差异很大 看看美图放松一下 研究者利用实验数据重新构建了着床前后胚胎发育的三维图像，下面是看图时间~  发育第六天的三维图  第十天  第十天-纵向  第十二天  第十二天-纵向 编辑神叨叨 又是一个我说看懂也没看懂的研究…… 参考资料： [1]https://www.nature.com/articles/s41586-019-1500-0 [2]Nature | 汤富酬课题组携手乔杰课题组在Nature在线发表论文 本文作者 | 代丝雨 |
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