通過應(yīng)用體外模擬人類胚胎著床培養(yǎng)體系，并與高精度單細(xì)胞多組學(xué)測序技術(shù)相結(jié)合，我國專家首次闡述了人類胚胎著床過程（受精后第5天～第14天）基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和DNA甲基化動態(tài)變化規(guī)律，解析了圍著床期胚胎發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)制。這一最新研究成果由北京大學(xué)第三醫(yī)院喬杰課題組和湯富酬課題組合作取得。8月22日，相關(guān)研究論文在《自然》雜志在線發(fā)表。
人類胚胎發(fā)育起始于精卵結(jié)合，受精卵通過多次卵裂，發(fā)育為由內(nèi)細(xì)胞團(tuán)和滋養(yǎng)層細(xì)胞組成的囊胚。人類囊胚著床一般發(fā)生在受精后的第5天～第7天，胚胎與子宮內(nèi)膜黏附并逐漸侵入，才能繼續(xù)發(fā)育形成胎兒。自然妊娠情況下，20%以上的概率會發(fā)生停育或流產(chǎn)。輔助生殖技術(shù)的成功率為40%左右，即使經(jīng)過胚胎植入前遺傳學(xué)檢測，選擇染色體正常的胚胎進(jìn)行移植，仍然會有一半左右的胚胎著床失敗或早期流產(chǎn)。發(fā)生上述問題最重要的原因，就是早期胚胎的發(fā)育異常。而既往對著床過程的研究通常使用小鼠等模式生物進(jìn)行。根據(jù)國際公認(rèn)的“14天原則”，對人類胚胎的研究允許到受精后14天。但由于技術(shù)的限制，很難獲得早期著床后（受精7天～14天）的人類胚胎，人類圍著床期胚胎發(fā)育的過程仍然是一個“黑匣子”。
該研究借助人類胚胎體外長時培養(yǎng)技術(shù)，模擬了人類胚胎的著床和早期著床后發(fā)育過程，系統(tǒng)解析了這一關(guān)鍵階段調(diào)控胚胎細(xì)胞譜系分化的基因表達(dá)和表觀遺傳特征。
研究發(fā)現(xiàn)，人類胚胎在囊胚后期逐漸具備體外自我重構(gòu)與著床的能力。圍著床期胚胎包括3類主要細(xì)胞譜系，即上胚層、原始內(nèi)胚層和滋養(yǎng)外胚層，各個譜系均逐漸呈現(xiàn)出各自獨特的基因表達(dá)特征，如上胚層呈現(xiàn)出明確的多能性轉(zhuǎn)變，原始內(nèi)胚層逐漸表達(dá)卵黃囊發(fā)育相關(guān)基因，而與著床相關(guān)的滋養(yǎng)外胚層細(xì)胞則特化成為合體滋養(yǎng)層和細(xì)胞滋養(yǎng)層兩類亞群，前者逐漸表達(dá)與妊娠建立相關(guān)基因（如CGB家族基因）。研究還發(fā)現(xiàn)了新的合體滋養(yǎng)層細(xì)胞標(biāo)志基因，如TCL6和TBX3。新的譜系標(biāo)記基因有助于早期胚胎中的譜系鑒定，推動干/祖細(xì)胞衍生研究。
研究還發(fā)現(xiàn)，圍著床期胚胎中X染色體失活與上調(diào)兩種機(jī)制并存，調(diào)控X染色體上基因表達(dá)劑量。雌性胚胎逐漸呈現(xiàn)出父源或母源X染色體隨機(jī)失活趨勢（XCI），但發(fā)育到12天的雌雄胚胎，X染色體劑量尚未達(dá)到平衡；另一方面，X染色體基因的表達(dá)量應(yīng)與常染色體劑量平衡，需要通過上調(diào)雌性或雄性中的X染色體（XCU）來實現(xiàn)。在晚期胚胎單細(xì)胞中活躍的X染色體，需要上調(diào)至兩倍的表達(dá)劑量，達(dá)到和常染色體兩個拷貝同樣的表達(dá)劑量（X染色體/常染色體的表達(dá)劑量比從1∶2上調(diào)到2∶2）。著床階段，雌性和雄性胚胎細(xì)胞中均已啟動X染色體上調(diào)，但尚未達(dá)到上調(diào)兩倍的狀態(tài)。
此外，研究團(tuán)隊利用自身研發(fā)的單細(xì)胞多組學(xué)測序技術(shù)，對3類主要細(xì)胞譜系的DNA甲基化進(jìn)行了深度分析。結(jié)果顯示，3類主要細(xì)胞譜系在著床前，即囊胚發(fā)育階段，具有相似的DNA甲基化模式；著床后，均發(fā)生了重新甲基化，迅速獲得了各自獨特的DNA甲基化特征。這一結(jié)果表明，胚胎在著床過程中經(jīng)歷了表觀遺傳重編程，DNA甲基化參與了細(xì)胞命運的決定。
此項研究對于認(rèn)識人類早期胚胎發(fā)育及著床機(jī)制，探索著床失敗的原因具有重要價值，為臨床上早期流產(chǎn)、胎兒畸形等疑難病例的診治提供了新的理論依據(jù)。雖然，人類體內(nèi)和體外胚胎發(fā)育的具體差異有待進(jìn)一步研究，但本研究為優(yōu)化體外著床體系，為多能干細(xì)胞的分化與胚胎發(fā)育相關(guān)研究提供了重要依據(jù)。
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