圖源pixabay.com撰文 | 計永勝責編 | 葉水送●●● 世界上最精妙的事情莫過于新生命的誕生。 人類的胚胎發(fā)育始于精卵結合，由此所產生的受精卵經(jīng)過6-7天在輸卵管的“長途跋涉”最終到達母體子宮，進行著床，即植入（Implantation）。在這個遷徙過程中，受精卵從單個細胞分化為由滋養(yǎng)層（Trophectoderm，TE）、外胚層（Epiblast，EPI）和原始內胚層（Primitive endoderm，PE）組成的囊胚（Blastocyst）。囊胚著床后，滋養(yǎng)層、外胚層和原始內胚層分別發(fā)育為胎盤、胚體和卵黃囊…… 從單個受精卵的形成到新生命的問世總共歷時約280天，整個過程的基因表達、細胞分化和器官發(fā)育均需要精細的時空調控。 圖1. 人類胚胎發(fā)育（部分時間段）。（圖片來自embryology.med.unsw.edu.au） 2019年8月22日，《自然》雜志在線發(fā)表了北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）教授湯富酬與北京大學附屬第三醫(yī)院教授喬杰聯(lián)合團隊的研究發(fā)現(xiàn)。該團隊運用人類胚胎體外培養(yǎng)系統(tǒng)和單細胞多組學測序技術，對來自65個胚胎的8000多個細胞進行了系統(tǒng)分析，繪制了囊胚植入前后細胞的轉錄組和 DNA 甲基化組圖譜 [1]。 早在2014年，湯富酬和喬杰團隊就利用單細胞 DNA 甲基化組高通量測序方法對人類早期胚胎發(fā)育過程中 DNA 甲基化進行了系統(tǒng)研究 [2]。但由于從體內獲取植入后胚胎的操作難度很大，因此，關于胚胎植入后各細胞組群的基因表達調控機理仍是未解之謎。 在該研究中，科研人員將獲贈的48個早期胚胎進行了體外培養(yǎng)，模擬體內的植入過程。其中，第6天之前屬于囊胚階段，即植入前時期；第8天到第14天屬于植入后時期。隨后，科研人員將獲得的5911個單細胞進行了分群，即滋養(yǎng)層（TE）、外胚層（EPI）和原始內胚層（PE），最終對3184個細胞進行了單細胞系統(tǒng)分析（圖2）。 圖2. 人類植入后胚胎單細胞RNA測序轉錄組分析。（圖片來自Nature） 研究人員發(fā)現(xiàn)，相比于植入前，胚胎細胞在植入后的基因表達發(fā)生了明顯的變化，并且在植入后不同時期基因表達也存在差異。通過對基因表達的組織特異性進行檢測，研究人員發(fā)現(xiàn)人類外胚層細胞的某些標簽基因與猴子胚胎植入期外胚層的標簽基因相同。同時，在體外培養(yǎng)的后期，胚胎滋養(yǎng)層細胞開始分化，為植入過程中母胎界面的形成做好準備（圖3）。 圖3. 胚胎植入后時期各組群細胞轉錄組動態(tài)分析。（圖片來自Nature） 眾所周知，男性的性染色體是 XY，女性的性染色體為 XX。為了保證X染色體相關基因在男性和女性體內的表達劑量平衡，在胚胎發(fā)育時期，女性細胞內的一條X染色體要失活（X chromosome inactivation）。該研究發(fā)現(xiàn)，女性細胞X染色體失活在胚胎植入后（第12天）就已經(jīng)啟動，但失活并未完全。 隨后，科研人員對來自另外17個胚胎的2544個細胞進行了分析，并檢測了不同細胞群體的DNA甲基化水平。結果顯示，植入期間，滋養(yǎng)層、外胚層和原始內胚層細胞的基因組均發(fā)生不同程度的再甲基化（圖4）。例如，外胚層細胞基因組的甲基化水平從第6天的26.1%上升到第10天的60.0%。有趣的是，相同基因的啟動子（基因表達的啟動原件）甲基化水平在不同細胞組群中也存在差異，說明 DNA 的甲基化對于細胞特異基因的表達以及后續(xù)胚胎發(fā)育過程中細胞命運的維持有重要作用。 圖4. 人類胚胎植入前后細胞特異性DNA甲基化動態(tài)變化。（圖片來自Nature） 文章最后指出，體內的胚胎植入過程可能與體外培養(yǎng)系統(tǒng)存在些許不同，但該研究所繪制的細胞轉錄組和 DNA 甲基化組圖譜為更好地在體外環(huán)境中進行胚胎發(fā)育研究提供了基礎。同時，該研究所獲得的龐大的轉錄組和甲基化組數(shù)據(jù)為生殖醫(yī)學和再生醫(yī)學的發(fā)展也提供了豐富的資源。
參考文獻[1] Fan Zhou, Rui Wang, Peng Yuan, etal. Reconstituting the transcriptome and DNAmethylome landscapes of human implantation. Nature. 2019. doi.org/10.1038/s41586-019-1500-0[2] Hongshan Guo, Ping Zhu, Liying Yan, etal. The DNA methylation landscape of human early embryos. Nature. 511,606–610 (2014) doi.org/10.1038/nature13544制版編輯|皮皮魚
