作者:季敬杰 来源:澎湃新闻 发布时间:2024/5/15 9:13:42
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《细胞》:新研究揭示不对称性是如何造就生命的

 

·受精卵在最初阶段所分裂出的两个细胞对发育的作用并不相同,它们分别形成了胎儿以及为胎儿提供营养的组织。这一发现可能有助于提高体外受精(IVF)的成功率。

生命是不对称的。虽然人类的五官和四肢看起来大致对称,但器官却呈非对称排列,如:心脏在左、肝脏在右。如果深入到细胞乃至更小的分子层面,不对称性则几乎是“铁则”:DNA向右螺旋,蛋白质等分子往往呈“手性”(指“一个物体不能与其镜像相重合”的对称特点)。

科学家一直在探索这种不对称性的起源以及对于生命的意义。近日一项研究发现,不对称性在人类胚胎发育阶段扮演重要的角色。该研究显示,受精卵在最初阶段所分裂出的两个细胞对发育的作用并不相同,它们分别形成了胎儿以及为胎儿提供营养的组织。这一发现可能有助于提高体外受精(IVF)的成功率。

该研究于当地时间2024年5月13日发表于《细胞》(Cell)杂志上,题目为《最初的两个胚泡细胞对人类胚胎贡献不同》(“The first two blastomeres contribute unequally to the human embryo”),作者是来自美国加州理工学院、美国南加州大学、英国剑桥大学等机构的Magdalena Zernicka-Goetz、Sergi Junyent、Maciej Meglicki等数十名科学家。

在这项研究中,研究者们通过谱系追踪技术(lineage tracing)来标记和追踪早期的胚胎细胞,发现受精卵分裂之初所形成的两个细胞已经具有不同的命运——其中一个及其后代会形成内细胞团(Inner Cell Mass,ICM)并最终发育成胎儿,而另一个则会形成滋养外胚层(Trophectoderm, TE),最终发展成胎盘和一些胚胎外组织。

研究使用了一种绿色荧光蛋白来标记受精卵第一次分裂后产生的两个胚泡细胞之一,以追踪它分裂出的细胞群。除此之外,研究还采用了一种活体染色技术来标记细胞的基因组。图片来源:《细胞》杂志

受精卵第一次分裂后,会产生两个胚泡细胞(blastomere),这被称为胚胎的2细胞阶段。随后,胚泡细胞会持续呈指数分裂,经历4细胞、8细胞、16细胞等阶段,直到胚胎形成包含内细胞团和滋养外胚层的囊胚(Blastocyst)结构。

以往普遍认为,在16细胞阶段以前,哺乳动物胚胎中所有细胞都是相同的,对囊胚的各个结构的形成有着均等的贡献。它们直到发育后期才开始分化,最终由囊胚发育成外、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。

但在2001年,本次研究的通讯作者、生育生物学家Magdalena Zernicka-Goetz与她的合作者发现,小鼠胚胎中的前两个细胞是不同的。两个细胞中的一个分裂成主要构成小鼠胎儿大部分的后代细胞,而另一个细胞的后代主要形成为早期胚胎提供营养的卵黄囊(Yolk sac)。

为了探究在人类中是否也如此,本次研究中,在患者同意的情况下,Zernicka-Goetz和她的团队从一个体外受精诊所中获得了54个尚未完全完成第一次分裂的受精卵。研究人员让受精卵在实验室中分裂,并用一种荧光蛋白标记其中一个产生的胚泡细胞。这使他们能够追踪发育中的每个胚泡细胞的后代。

研究人员将胚胎培养四到五天,直到它们开始形成不同的结构。他们发现,形成胎儿的内细胞团中的大多数细胞起源于2细胞阶段中的一个特定胚泡细胞,这个细胞比另一个要更快分裂。在8至16细胞阶段的过渡期间,这个更快分裂的胚泡细胞的后代中有少数发生“内化”,从胚胎表面迁移到内部,最终形成内细胞团。

通过计算,研究者们发现在形成的囊胚中,在内细胞团中占主导地位的细胞群平均贡献了71.25%,也就是说,最初的两个细胞之一所分裂出的后代中的大部分形成了这个胚胎结构。而滋养外胚层中占主导地位的细胞群平均贡献了外胚层62.86%的细胞。

研究者们还开发了一个统计模型,在这些数据的基础上通过计算机模拟预测了胚胎发育中的细胞分布,其结果与观测到的分布基本一致。

目前尚不清楚是什么导致受精卵在发育初期的这种不对称分裂。研究者们考察了胚胎质量(如大小)和基因组,但发现它们不是导致这种不对称的主要因素。在该团队之前的小鼠研究中,精子进入卵子的位置影响了受精卵随后的分裂方式,但这点无法在本次的研究中验证。

除了揭示不对称性在胚胎发育过程中的作用之外,该研究成果或能帮助提升体外受精技术的成功率。Zernicka-Goetz在接受《自然》杂志(Nature)采访时表示,知道哪些细胞更有可能形成胎儿,可以让IVF诊所更好地筛选胚胎,以找到最有可能成功妊娠的胚胎。

她还说,很难预测这种早期不对称将如何影响后来的人体发育,但影响可能非常持久。



 
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