小鼠胚胎中所有細(xì)胞外膜發(fā)出紅光,。一小部分細(xì)胞表達(dá)發(fā)出綠光的蛋白意味著它們是指示頭部發(fā)育的細(xì)胞,。圖片來自劍橋大學(xué)格登研究所Magdalena Zernicka-Goetz教授,。
2012年2月14日，《自然-通訊》期刊報(bào)到了一種研究哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育的新方法,。這項(xiàng)研究是由英國(guó)劍橋大學(xué)Magdalena Zernicka-Goetz教授實(shí)驗(yàn)室完成的,。它能夠讓科學(xué)家觀察胚胎發(fā)育的關(guān)鍵階段，而這在以前是人們無法觀察到的。
幾十年以來,，科學(xué)家一直能夠培養(yǎng)胚胎從單個(gè)細(xì)胞即受精卵到胚泡(blastocyst)---單個(gè)受精卵經(jīng)過幾輪細(xì)胞分裂產(chǎn)生的64細(xì)胞階段的球體,。在實(shí)際應(yīng)用中，這允許科學(xué)家開發(fā)出體外受精技術(shù)輔助生育,。
它也能夠讓科學(xué)家更多地了解在胚胎發(fā)育早期階段哪些細(xì)胞最先對(duì)它們的命運(yùn)作出決定,。這是因?yàn)樵谂咛プ畛?天發(fā)育中，人們能夠觀察到它們經(jīng)歷的發(fā)育事件,，而且在模式動(dòng)物如小鼠中,，人們可以操縱涉及發(fā)育過程的基因表達(dá)以便更好地理解它們所起的作用。
64細(xì)胞階段的胚泡由三種細(xì)胞類型組成,，其中一種類型是少量的將發(fā)育成完整生物個(gè)體的干細(xì)胞,，它們由另外兩種胚外層細(xì)胞(extra-embryonic cell)類型所撫育，而且這兩種胚外層細(xì)胞類型不僅促進(jìn)胎盤產(chǎn)生,，而且當(dāng)干細(xì)胞群體擴(kuò)大時(shí)發(fā)出指示特定發(fā)育事件產(chǎn)生的信號(hào),。當(dāng)前，人們對(duì)導(dǎo)致這三種細(xì)胞類型形成的分子和細(xì)胞事件有了相當(dāng)深刻的理解,。
然而,，科學(xué)家對(duì)隨后發(fā)生的發(fā)育事件的了解相當(dāng)有限。這時(shí)所處的發(fā)育階段(大約發(fā)育第4天)是發(fā)育中的胚胎在母親子宮著床,，當(dāng)這發(fā)生時(shí)胚胎的發(fā)育人們便不能觀察到,。然而這是胚胎發(fā)育的一個(gè)非常重要的階段，因?yàn)榕咛ネ饨M織將給干細(xì)胞提供信號(hào)指示它們?cè)诤翁幃a(chǎn)生身體上的頭部和尾部,。
研究人員應(yīng)當(dāng)可以從諸如小鼠之類的模式生物系統(tǒng)中復(fù)原出這種胚胎發(fā)育過程：當(dāng)該過程發(fā)生時(shí),，人們從拍攝的圖片中構(gòu)建出當(dāng)中到底發(fā)生什么。但是直到現(xiàn)在,，當(dāng)它發(fā)生時(shí),，人們一直不能夠記錄這種過程，更不用說理解參與到當(dāng)中的其他過程,。
利用小鼠胚胎作為模式動(dòng)物,，Zernicka-Goetz教授和她的同事們成功地開發(fā)出一種能夠觀察胚胎在子宮中著床的方法，該方法是通過在母親體外培養(yǎng)發(fā)育到第8天的胚胎并對(duì)它們拍照,。
最為重要的是，Zernicka-Goetz教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組如今能夠?qū)@個(gè)關(guān)鍵性的發(fā)育階段制作出影片,。該影片正揭示關(guān)于指示胚胎在何處產(chǎn)生頭部的胚外層細(xì)胞簇來源的秘密,。他們使用一種只在指示這種“頭部”產(chǎn)生的區(qū)域中表達(dá)的基因，而且該基因被一種能夠發(fā)出熒光的蛋白標(biāo)記以便在體外培養(yǎng)的胚胎中追蹤這些胚外層細(xì)胞,。
通過這種方式,，他們能夠確定這些細(xì)胞起源自胚泡階段的一到兩個(gè)細(xì)胞，它們的后代細(xì)胞最終在胚胎一個(gè)特定部分簇集在一起,，然后集體地遷移到它們指示頭部發(fā)育的位置,。引領(lǐng)這種遷移的細(xì)胞似乎在引領(lǐng)剩余細(xì)胞的遷移中發(fā)揮著極其重要的作用和充當(dāng)著先鋒者的角色,。
這項(xiàng)研究的通訊作者Zernicka-Goetz教授說，“這種方法不僅揭示出人們之前不能觀察的發(fā)育事件,，而且它還有著其他重要的潛在性應(yīng)用,。正是在這種發(fā)育階段自然的干細(xì)胞群體發(fā)生擴(kuò)增為構(gòu)建出一個(gè)完整的身體打下基礎(chǔ)。”
“在小鼠中,，在能夠產(chǎn)生所有身體組織從而構(gòu)建出一個(gè)完全新的有機(jī)體的胚泡階段從胚胎中建立干細(xì)胞系是相當(dāng)容易的,。然而在人類中，這種干細(xì)胞系更加難建立,。這種新技術(shù)為人們提供希望：通過允許人們以一種類似體內(nèi)胚胎正常發(fā)育的方式在體外擴(kuò)增自然的干細(xì)胞群體,，它應(yīng)當(dāng)使得人們很容易建立干細(xì)胞系。毋庸置疑的是,，它將允許人們直接研究這種胚胎發(fā)育階段,，因此應(yīng)當(dāng)提供一種更好地在胚胎干細(xì)胞的自然發(fā)育過程中理解它們的手段。”
這項(xiàng)研究是在劍橋大學(xué)格登研究所完成的,，實(shí)驗(yàn)中所采用的培養(yǎng)基是與英國(guó)諾丁漢大學(xué)藥學(xué)院共同開發(fā)的,。(生物谷：towersimper編譯)
doi:10.1038/ncomms1671
PMC:
PMID:
Dynamics of anterior–posterior axis formation in the developing mouse embryo
Samantha A. Morris, Seema Grewal, Florencia Barrios, Sameer N. Patankar, Bernhard Strauss, Lee Buttery, Morgan Alexander, Kevin M. Shakesheff & Magdalena Zernicka-Goetz
The development of an anterior–posterior (AP) polarity is a crucial process that in the mouse has been very difficult to analyse, because it takes place as the embryo implants within the mother. To overcome this obstacle, we have established an in-vitro culture system that allows us to follow the step-wise development of anterior visceral endoderm (AVE), critical for establishing AP polarity. Here we use this system to show that the AVE originates in the implanting blastocyst, but that additional cells subsequently acquire AVE characteristics. These 'older' and 'younger' AVE domains coalesce as the egg cylinder emerges from the blastocyst structure. Importantly, we show that AVE migration is led by cells expressing the highest levels of AVE marker, highlighting that asymmetry within the AVE domain dictates the direction of its migration. Ablation of such leading cells prevents AVE migration, suggesting that these cells are important for correct establishment of the AP axis.
