灵长类动物早期着床胚胎三胚层分化和器官发生基因组表达调控的研究

Gastrulation is the key stage of embryo cell differentiation and organogenesis. Study on gene expression regulation on gastrulation and organogenesis is important for understanding the mechanism of human embryo development and ectodermal dysplasia and the directional differentiation of human pluripotent stem cells in vitro. However, due to the ethical limits, the precious and the only report on the gene regulation of human implanted embryo was limited at the stage of Carnegie Stage 9 and after. It’s known that the gastrulation of human embryo start at Carnegie Stage 7, therefore the differention of germ layers was missed in the previous study. Furthermore, the method used for human embryo previous based on gene chips cannot overlap the entire genome. So the previous study has limitation. Nonhuman primates are important for biomecial research due to the close genetic relationship to human. Cynomolgus monkey can be used as ideal model for human embryonic studies. Meanwhile, the foundamental knowledge of Nonhuman primate implanted early stage embryo is empty. Therefore, the proposed study using of cynomolgus monkey will reveal gene expression regulation of the differatation of germ layers during embryo cell gastrulation and organogenesis, and the results will provide important information and reference for human embryological development.

原肠运动是着床胚胎细胞三胚层分化和器官发生的最关键时期。研究灵长类着床胚胎原肠运动细胞三胚层分化对于研究人类发育早期的分子调控、胚层发育异常相关疾病和人多能干细胞体外的定向诱导分化具有重要的意义。人类原肠运动始于Carnegie Stage7，然而Carnegie Stage 9 以前的着床早期人胚胎样本由于伦理方面的限制不可能获得，这使得研究人类胚胎三胚层细胞谱系分化的基因调控机制成为不可能的难题。灵长类动物是研究人类胚胎发育的最佳动物模型，同时灵长类动物着床早期胚胎的研究包括形态学/病理学特征、胚胎细胞的三胚层分化和器官发生的基因调控机制等仍是空白。运用单细胞mRNA-Seq和DNA甲基化测序技术研究食蟹猴原肠胚的三胚层分化和器官发生的转录组表达谱和基因组DNA甲基化图谱，将为全面分析灵长类原肠胚形成和三胚层细胞谱系分化的基因表达调控、以及多能干细胞体外的定向诱导分化奠定重要的基础。

目前对人类胚胎三胚层细胞谱系分化的基因调控机制还不清楚，因为伦理的限制研究人类的胚胎早期发育是不现实的，灵长类动物与人类的亲缘关系最近，是研究人类胚胎发育的最佳模型动物。研究原肠胚的三胚层分化和器官发生的基因表达谱，将为全面分析灵长类原肠胚形成的基因表达调控、器官发生和发育提供重要数据。本研究改良了食蟹猴精子的冻存方法，成功建立了无卵黄的精子冻存方式，为精子的冷冻保存提供了更安全且有效的方式，为更安全的体外受精和胚胎培养奠定了基础。通过雌雄食蟹猴自然交配和怀孕生产着床后早期胚胎，开发了食蟹猴的排卵特征和激素鉴定方法，建立了手术取胚胎的外科操作技术，确认了早期胚胎着床发育情况；将获得的胚胎进行了转录组测序分析，获得了不同时期的胚胎转录表达谱；通过单细胞mRNA-Seq等测序技术解析了食蟹猴原肠胚的三胚层分化和器官发生的转录组表达谱。这些不同胚胎时期的基因表达调控弥补了胚胎细胞的胚层分化和器官发生的基因调控机制的空白。同时，本研究还对食蟹猴不同发育时期的不同脑区进行了蛋白组测序分析，解析了不同胚胎发育时期大脑发育的动态过程，为大脑发育过程的研究及脑图谱提供了有用的证据，同时对于后期神经退行性疾病的研究提供了早期的数据。本研究获得了食蟹猴原肠胚的三胚层分化和器官发生的基因表达谱，以及胚胎发育过程中脑发育蛋白组学图谱，这些数据为人类胚胎三胚层分化和器官发生的基因调控研究奠定坚实的基础。