新的培养系统发现早期人类胚胎中的细胞拥挤程度影响细胞身份决策
该研究所与 Wellcome-MRC 剑桥干细胞研究所合作开发了一种细胞培养系统，可根据细胞密度将人类多能干细胞区分为羊膜外胚层和表面外胚层。
羊膜外胚层形成羊膜，包围并保护胚胎。相反，表面外胚层产生身体外表面的组织，例如表皮、头发和指甲。这些不同的胚胎组织在表达模式和信号需求方面彼此相似，但它们相似的生物学意义尚不清楚。
研究小组利用新的培养方法，研究了羊膜外胚层和表面外胚层之间的发育关系。单细胞 RNA 测序分析表明，从表面外胚层到羊膜外胚层的顺序分化受细胞密度的影响。
这项研究提供了对人类胚胎和胚胎外发育如何围绕原肠胚形成进行协调的综合理解。它还提供了一种改进羊膜和表面外胚层生产方法的方法，并可以为更好地代表人类胚胎的基于干细胞的集成胚胎模型铺平道路。
Shota Nakanoh 博士在该研究所的 Teresa Rayon 博士实验室和 Wellcome-MRC 剑桥干细胞研究所 Ludovic Vallier 教授实验室合作进行的研究确定，早期人类胚胎中的细胞拥挤程度会影响细胞是否发育为额外的细胞。 -胚胎细胞或成为胚胎的一部分，最终形成皮肤、头发和指甲。该研究发表在最新一期的《科学进展》杂志上。
该项目的首席研究员 Nakanoh 博士将新的培养方法与三维培养和单细胞 RNA 测序分析相结合，利用人类多能干细胞 (hPSC) 来更多地了解羊膜和表面外胚层是如何在人类胚胎中产生的。原肠胚形成(受精后约两周)。
相似但不同组织的奥秘——羊膜和表面外胚层
羊膜外胚层是一个单细胞层，形成包围发育中胚胎的膜。它还为人类胚胎发育提供重要信号，但人类仍不完全了解羊膜是如何形成的。
表面外胚层是一层致密的表皮祖细胞，产生身体的表面覆盖物，例如皮肤，以及牙齿、头发和指甲的相关特征。如果能够改进生产它的技术，它的人工生产将具有医学意义。
羊膜细胞和表面外胚层细胞在发育的早期阶段是特化的，并且在很大程度上具有相同的生物学特征，例如基因表达模式和信号需求。为什么这些不同的组织如此相似以及它们在发育过程中如何区分一直是个谜。
细胞拥挤影响细胞身份
Nakanoh博士定制了hPSC的培养条件，发现补充激活素A、BMP4、GSK3-β抑制剂和MEK抑制剂促进它们分化为羊膜外胚层。使用共培养技术形成细胞聚集体，他能够确认所生成的羊膜外胚层细胞启动原肠胚形成的能力。此外，单细胞RNA测序分析提示了羊膜外胚层的分化途径，其中表面外胚层基因在羊膜外胚层基因程序激活之前表达。
在 CSCI 生物信息学负责人 Irina Mohorianu 博士的专业知识下，将基因表达数据与可比较发育阶段的灵长类胚胎的公开数据进行比较，验证了培养系统中生成的细胞类型，证明了它们与相应胚胎的相似性组织。此外，还在灵长类动物胚胎中观察到从表面外胚层状态到羊膜外胚层状态的发育途径。
至关重要的是，Nakanoh 博士发现这两种细胞类型之间的区别取决于细胞密度。细胞在稀疏的条件下变成羊膜外胚层。相反，高密度培养导致细胞表达表面外胚层标记，但不表达羊膜外胚层标记。这些细胞还能够分化成下游表皮细胞类型——角质形成细胞，它代表了皮肤中的关键细胞类型。研究人员测试了培养基的变化，但细胞密度是影响羊膜外胚层和表面外胚层之间细胞命运选择的唯一因素。
研究小组还发现，新的培养系统可以产生像胚胎外中胚层这样的细胞，这种细胞在人类胚胎中尚未得到很好的表征。
Rayon 实验室的博士后研究员 Shota Nakanoh 博士说：“羊膜可以保护胚胎并提供关键的发育线索，而表面外胚层则有助于成人身体的很大一部分。这两种细胞类型都具有很高的临床意义，并且是成功的人类胚胎体外模型的重要元素。尽管有将细胞区分为羊膜或表面外胚层的方案，但研究人员无法明确区分这些细胞类型。我们关于细胞密度作为关键调节因子的发现填补了这一知识空白，从而有助于我们更加确定地生成感兴趣的细胞类型。”
将这种细胞拥挤效应应用到正在发育的人类胚胎中，研究人员提出了这些相似的组织是如何在原肠胚形成前胚胎中分化的，其中羊膜外胚层作为细胞数量相对较少的松散片层形成，而表面外胚层则形成为连续致密的细胞片。
实现更好的干细胞胚胎模型
正确指定羊膜形成的方法对于能够使用基于干细胞的胚胎模型尽可能地重现人类胚胎发育非常重要。这些模型越来越多地被用来探索人类发育，超越人类胚胎研究的技术和监管限制。
该研究所表观遗传学研究项目的终身教授Teresa Rayon博士说：“我们最近才开始探索人类发育过程中羊膜的产生。这些发现增进了我们对如何在体外实验室中生成胚胎外细胞的理解，并揭示了在与人类发育“黑匣子”相对应的阶段驱动细胞类型形成的机制。鉴于人们对使用干细胞胚胎模型作为人类胚胎替代品的兴趣日益浓厚，这项工作为生成成功的集成模型提供了更多知识。”
Vallier 教授现任柏林夏里特健康研究所 (BIH) 干细胞再生疗法教授，他说：“我们的培养系统还产生胚胎外中胚层，这是另一种在人类胚胎中尚未得到充分研究的组织。它将帮助我们更好地了解人类发育，并提高我们对影响胎儿生命第一步的疾病的认识。这项工作也为有关细胞密度在细胞命运决定中的作用的新研究打开了大门。”
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