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解析早期胚胎细胞的“成长路”

2019-08-09 09:27:20  来源:中科院之声

生命个体由受精卵经胚胎发育而来,胚胎中的细胞“世代繁衍”,最终“生成”完整的个体。探寻细胞“家族”的“族谱”,追溯它们在胚胎发育早期的“祖先”,解析他们的“血统”,对于人们了解生命起源,“追踪”疾病至关重要。

8月8日凌晨,中科院分子细胞科学卓越创新中心(生化与细胞所)景乃禾研究组与多位科学家合作,成功绘制小鼠早期胚胎发育过程中高精度的细胞“繁衍”三维立体时空图,为细胞家族“寻根”。这一成果或改写细胞“家谱”,为干细胞的产生来源提供新的思路,推动干细胞治疗和相关药物筛选工作的发展。该研究发表于国际权威学术期刊《自然》。

生命作为自然最美的杰作,其诞生过程令人着迷。在早期胚胎发育阶段,受精卵先发育成囊胚,再由囊胚形成外、中、内三个胚层。外胚层最终发育成机体的神经、皮肤等组织,中胚层发育成心脏、血液、肌肉和骨骼等组织,内胚层则发育成肺、肝、胰腺和肠等内脏器官。外、中、内三胚层的形成过程直接影响胎儿能否顺利从母体诞生。而这其中,细胞如何“繁衍”,如何“分化”,又如何决定自己的命运走向并不清楚,构成生命之树的每一个细胞从胚胎时期开始的成长脉络仍有待揭示。

景乃禾研究团队建立一种全新技术方法,他们分别选取小鼠早期胚胎中不同空间位置和不同发育时间的细胞进行转录组学分析,成功绘制了一张同时包含时间、空间信息的高精度细胞“成长轨迹”三维立体图。科学家们可以通过这张“百科全书式”的“成长轨迹”图追溯不同胚层细胞的“祖先”。

在一系列“追根溯源”后他们发现,原本被认为全部由上胚层发育而来的内胚层细胞,有一部分极有可能“越过”上胚层直接来自于原始内胚层,而一些特定的原本被认为沿不同分化路径而来的中胚层和外胚层细胞,则可能有着共同的“前身”细胞,这些发现颠覆了人们对传统“细胞家谱”的认知。

近年来在生物医药领域大放异彩的干细胞研究中,科学家们多“遵循”细胞的“成长”路径从多能干细胞中分化得到该细胞的“前身”细胞,用于再生医学与疾病相关的研究。而景乃禾研究团队这一或将改写细胞“族谱”的发现,有助于人们完善肝脏、胰腺、脊髓等器官中细胞的分化体系,为未来人们分化得到这些器官中干细胞提供了新的可能途径,这些新发现的细胞分化路径甚至可能比基于“传统细胞家谱”的路径更加高效快捷。

该成果是对经典发育生物学层级谱系理论的修正和补充,将推动早期胚胎发育和干细胞再生医学相关领域的发展。

该研究主要由中科院分子细胞科学卓越创新中心(生化与细胞所)景乃禾研究组、中科院-马普学会计算生物学伙伴研究所韩敬东研究组与中科院广州生物医药与健康研究院/广州再生医学与健康广东省实验室彭广敦研究组共同合作完成。中科院广州生物医药与健康研究院彭广敦研究员、中科院马普计算生物学研究所索生宝博士、生化与细胞所崔桂忠博士和禹方博士为该论文的共同第一作者,景乃禾研究员、韩敬东研究员和彭广敦研究员为该论文的共同通讯作者。该工作得到了中科院动物研究所周琪研究员、悉尼大学Patrick P.L。 Tam教授、生化与细胞所化学生物学技术平台、高性能计算存储与网络服务平台和动物实验技术平台的大力支持,获中科院战略性先导科技专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、广东省科学技术基金、广州再生医学与健康广东省实验室前沿探索项目、上海市自然科学基金和上海市科学技术委员会资助。

早期胚胎发育时期胚胎空间转录组的空间表达结构域及其相似性。 A, 小鼠着床后早期(E5.5)到原肠运动晚期(E7.5)不同时期的空间表达结构域;B,早期胚胎空间表达结构域的相似性。不同时期的颜色条代表基因表达结构域,MOR-桑椹胚,ICM-内细胞团,Epi-上胚层,PrE-原始内胚层,En-内胚层,E1-内胚层基因表达结构域1,Ect-外胚层,PS-原条,M-中胚层,MA-前端中胚层,MP-后端中胚层。计算结构域之间的相关性,连接线的粗细表示相对相关性大小。

早期胚胎发育时期胚胎空间转录组的空间表达结构域及其相似性。 A, 小鼠着床后早期(E5.5)到原肠运动晚期(E7.5)不同时期的空间表达结构域;B,早期胚胎空间表达结构域的相似性。不同时期的颜色条代表基因表达结构域,MOR-桑椹胚,ICM-内细胞团,Epi-上胚层,PrE-原始内胚层,En-内胚层,E1-内胚层基因表达结构域1,Ect-外胚层,PS-原条,M-中胚层,MA-前端中胚层,MP-后端中胚层。计算结构域之间的相关性,连接线的粗细表示相对相关性大小。

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