以食蟹猴胚胎体外延时培养为模型研究灵长类早期着床后胚胎细胞谱系分化

The development of post-implantation embryo involves an ordered series of hierarchical lineage determination and specifications. For a better understanding of the pluripotency and the translational application of stem cells, it is critical to investigate the regulation underlying the lineage specification. Due to limited number of embryos and available sequencing techniques, elucidation of transcriptome dynamics of primate post-implantation embryo is difficult. In this study, we will overcome this technical hurdle by exploring new primate post-implantation embryo in vitro culture system, and in combination with single cell transcriptome sequencing technique to elucidate molecular regulation underlying the primate lineage specification. This study will provide new and exciting information about how a blueprint for the whole animal body is established, and the achieved information can be applied to improve establish the primate embryonic stem cell. Moreover, this study will shed light on means to cure birth defects caused by early embryo development abnormality.

哺乳动物早期胚胎发育，特别是早期着床后胚胎发育，经过了多个层次的细胞命运决定过程，是生命体发育最重要的事件之一。任何早期发育上的缺陷，都会对整个胚胎个体产生深远的影响。由于伦理、材料及研究手段的限制对灵长类（包括人类）着床后胚胎细胞多能性调控及谱系分化的相关知识缺乏了解。本研究拟建立食蟹猴胚胎体外延时培养体系，结合精细激光显微切割与单细胞表达谱测序技术，获取体外培养胚胎细胞谱系分化的空间位置及基因表达信息；同时结合体内胚胎发育数据，发现调控着床后胚胎细胞命运决定及谱系分化的关键信号通路与分子靶标。研究成果不仅仅能够指导胚胎干细胞及各种多能干细胞的分化和转化医学应用，而且可以对预防和减少早期发育疾病提供新的思路。

研究实现了食蟹猴胚胎体外20天的培养，培养胚胎呈现出了与体内发育胚胎高度一致的形态学与基因表达特征。结合胚胎体外培养系统和单细胞多组学测序技术，研究团队在受精9天后对体外培养胚胎进行了测序，通过细胞谱系及分子轨迹变化分析，研究人员系统研究了上胚层细胞 (epiblast) 多能性动态变化过程，揭示了氧化磷酸化途径在naïve多能性维持中的作用；滋养层谱系的单细胞转录组数据显示了滋养层谱系的分化路径，并表明小鼠中公认的滋养层干细胞marker CDX2在灵长类早期胚胎发育中表达并不能维持，对灵长类滋养层发育提出了新的见解；研究结果同时揭示了灵长类着床后胚胎发育中不同细胞谱系间的相互作用，为进一步理解着床后胚胎发育微环境 (niche) 的重要作用提供了新的思路。更为重要的是，研究结果揭示了羊膜上皮是潜在的原始生殖细胞（PGC）起源地，但是也不排除epiblast来源。尽管还需要进一步深入细致的机制研究进行证实，但当前研究结果对灵长类PGC的早期起源提供了新的见解。该研究工作第一次利用体外系统，解析了灵长类胚胎着床后特别是原肠运动时期重要的分子与细胞生物学事件。研究结果有助于加深人们对早期着床后胚胎发育的理解，对于细胞替代性治疗及器官再生研究也具有指导意义。