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中國科學家領(lǐng)銜完成的一項最新研究——成功建立可支持食蟹猴胚胎體外發(fā)育至受精后第25天的3D長時程培養(yǎng)體系，揭示靈長類早期神經(jīng)胚發(fā)育特征，在已有研究基礎(chǔ)上進一步填補了靈長類胚胎中晚期原腸運動至早期器官發(fā)育階段的領(lǐng)域空白。

這項靈長類胚胎發(fā)育領(lǐng)域重要突破進展的論文，由中國科學院動物研究所(中科院動物所)/北京干細胞與再生醫(yī)學研究院王紅梅、郭帆、李偉研究員聯(lián)合美國賓夕法尼亞大學尼古拉斯·普拉切塔(Nicolas Plachta)教授合作完成。中科院動物所副研究員翟晶磊、助理研究員萬海峰和博士生徐艷紅、燕蕊、郭敬以及美國賓夕法尼亞大學博士后羅賓·斯科里(Robin Skory)為論文共同第一作者。論文于北京時間5月11日夜間在國際著名學術(shù)期刊《細胞》(Cell)以封面形式在線發(fā)表。

研究團隊指出，出生缺陷的發(fā)生與早期胚胎發(fā)育異常直接相關(guān)。因此研究早期胚胎發(fā)育過程、探究發(fā)育機理，是揭示病理性胚胎發(fā)生機制、提升相關(guān)疾病診療效率，進而從根源上提高人民健康水平的重要前提。但人類早期胚胎極難獲取，科學家們無法直接探究人類胚胎發(fā)育過程和機理。胚胎體外培養(yǎng)技術(shù)是可視化研究胚胎發(fā)育過程的有力工具。借助人類胚胎體外培養(yǎng)技術(shù)，胚胎期第14天之前的發(fā)育事件已被初步揭示。然而，由于科研倫理限制，人類胚胎研究遵循“14天原則”，即人類胚胎體外研究必須在第14天終止，故體外培養(yǎng)的人類胚胎不能被用于研究胚胎期第14天之后發(fā)生的原腸運動和早期神經(jīng)胚發(fā)育等事件。

非人靈長類與人類在進化上和發(fā)育生物學特征上高度相似，所以搭建非人靈長類胚胎體外培養(yǎng)體系至關(guān)重要，借此揭示靈長類胚胎發(fā)育特征，可極大提升科學家們對包括人類在內(nèi)的靈長類早期胚胎發(fā)育及相關(guān)疾病的認識。

2019年，王紅梅研究員團隊聯(lián)合中外同行已將食蟹猴胚胎體外培養(yǎng)至胚胎期第20天，探究了靈長類早期原腸運動特征。本次研究在之前基礎(chǔ)上再獲突破，把食蟹猴胚胎體外培養(yǎng)至胚胎期第25天，并命名為3D長時程培養(yǎng)體系(pIVC)。

利用該體系，研究團隊進一步探究靈長類早期神經(jīng)胚發(fā)育過程。研究者對神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育關(guān)鍵調(diào)控因子進行鑒定，發(fā)現(xiàn)pIVC胚胎的神經(jīng)管形態(tài)和多種分子表達特征與體內(nèi)相同發(fā)育階段的胚胎相似。伴隨神經(jīng)外胚層的發(fā)育，pIVC胚胎的表皮和神經(jīng)板邊緣的發(fā)育同步進行，同時pIVC胚胎可重現(xiàn)神經(jīng)管沿背腹軸區(qū)域化發(fā)育的模式，并分化出早期運動神經(jīng)元祖細胞。

除外胚層和神經(jīng)管發(fā)育外，研究團隊還檢測了pIVC胚胎中原始生殖細胞和中、內(nèi)胚層的發(fā)育特征。結(jié)果提示與相同發(fā)育階段的體內(nèi)正常胚胎相比，pIVC胚胎的分子表達特征與正常胚胎相似，表明前者可重現(xiàn)原腸運動中晚期階段中胚層和內(nèi)胚層的發(fā)育。

研究團隊還利用單細胞多組學測序技術(shù)，對9個pIVC胚胎的單細胞的轉(zhuǎn)錄組和DNA甲基化和染色質(zhì)可及性進行測序和分析。結(jié)果提示，各種細胞類型的基因均發(fā)生了甲基化，且胚胎組織的DNA甲基化水平(約75%)高于胚外組織(約50%)，與已報道的小鼠和人類胚胎特征相似。

研究團隊總結(jié)認為，他們這次的最新研究成果，既為靈長類胚胎體外培養(yǎng)和基于干細胞構(gòu)建的“類胚胎”的體外培養(yǎng)提供參考體系，也為深入了解人類早期胚胎發(fā)育機制，以及早期胚胎發(fā)育異常相關(guān)疾病的病理研究等提供重要技術(shù)平臺。

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