科学家通过编程干细胞模拟胚胎发育的最初几天

Scientists program stem cells to mimic first days of embryonic development

Source | HN Comments

科学家利用 CRISPR 技术“编程”干细胞，模拟胚胎发育的最初几天，构建出可编程的 embryoids 模型。该模型无需实际胚胎，通过激活特定基因，诱导干细胞自组织成类似早期胚胎的结构，研究基因在发育中的作用。这种方法允许研究细胞共同发育，并可用于研究发育障碍和突变，为改善生育能力提供新思路。

科学家通过编程干细胞模拟胚胎发育的最初几天

2025年3月20日作者：Emily Cerf

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可编程的胚胎细胞模型，被称为 embryoids，使科学家能够模拟胚胎发育的最初几天。

合影的三个人项目团队，从左到右：Ali Shariati, Sayaka Kozuki, 和 Gerrald Lodewijk.

受精后最初的几天，即精子细胞与卵子结合后，都笼罩着科学的神秘面纱。一个不起眼的单细胞如何变成一个有机体的过程，吸引着各个学科的科学家。对于某些动物来说，细胞繁殖、生成专门细胞以及将其组织成有序多细胞胚胎的整个过程都发生在子宫的保护环境中，这使得直接观察和研究具有挑战性。这使得科学家们难以理解该过程中可能出现的问题，以及特定的风险因素和周围环境如何阻止胚胎形成。

UC Santa Cruz 的科学家们能够设计出胚胎的细胞模型，而无需对任何实际胚胎进行实验，从而使他们能够模拟两个有性生殖细胞结合后的最初几天。他们使用基于 CRISPR 的工程方法来促使干细胞组织成“可编程”的类胚胎结构，也称为 embryoids，可用于研究某些基因在早期发育中的作用。这些结构不是真正的胚胎，而是实验室培养的细胞的集合，这些细胞以模仿早期发育阶段某些方面的方式进行自组织。他们的研究成果发表在顶级的干细胞期刊 Cell Stem Cell 上。

“作为科学家，我们有兴趣在培养皿中重新创造和重新利用自然现象，例如胚胎的形成，从而能够对天然系统难以进行的研究，”生物分子工程助理教授兼该研究的资深作者 Ali Shariati 说道。“我们想知道细胞如何将自己组织成类胚胎模型，以及在存在病理条件阻止胚胎成功发育时可能会出现什么问题。”

细胞共同发育

Shariati 是干细胞工程领域的专家，该领域使用干细胞（可以形成任何类型细胞（如肠道或脑细胞）的未分化细胞）来研究和解决生物和健康问题。该项目由 UCSC 博士后学者 Gerrald Lodewijk 和生物分子工程系校友兼现任加州理工学院研究生 Sayaka Kozuki 领导，他们使用实验室中常见的鼠标干细胞来引导它们形成胚胎的基本组成部分。该团队使用了一种名为 epigenome editor 的 CRISPR 技术版本，该技术不会切割 DNA，而是会修改其表达方式。他们以已知参与早期胚胎发育的基因组区域为目标。这使他们能够控制哪些基因被激活，并诱导早期发育所需的主要类型细胞的产生。

“我们使用干细胞，它们就像一块空白的画布，并使用我们的 CRISPR 工具来诱导不同的细胞类型，”Lodewijik 说道。该方法的优势在于允许不同细胞类型“共同发育”，这比其他科学家用于开发不同细胞类型的化学方法更接近于自然胚胎形成。“这些细胞像在实际胚胎中一样共同发育，并建立了作为邻居的历史，”Shariati 说道。“我们不会改变它们的基因组或将它们暴露于特定的信号分子，而是激活现有的基因。”

该团队发现，80% 的干细胞在几天后会将自己组织成模仿胚胎最基本形式的结构，并且大多数干细胞都会进行基因激活，从而反映出发生在生物体中的发育过程。 “细胞组织方式以及分子组成方面的相似性非常显着，”Shariati 说道。“[细胞需要]我们很少的投入——就好像细胞已经知道该怎么做一样，我们只是给它们一点指导。” 研究人员观察到，这些细胞在移动和组织在一起时表现出集体行为。 “其中一些细胞开始进行这种旋转迁移，几乎就像鸟类或其他物种的集体行为一样，”Shariati 说道。“通过这种集体行为和迁移，它们可以形成这些迷人的胚胎模式。”

“可编程”模型

拥有一个反映生物体早期胚胎的准确基线模型，可以使科学家更好地研究和学习如何治疗发育障碍或突变。“这些模型更完整地代表了早期发育阶段发生的事情，并且可以捕捉到背景，”Lodewijik 说道。CRISPR 编程不仅允许科学家在实验过程开始时激活基因，而且还使他们能够激活或修改对发育的其他部分很重要的基因。这使得胚胎模型具有“可编程性”，这意味着它们可以相对容易地受到高度控制的影响，从而可以在胚胎模型发育时靶向和测试多个基因的影响，从而阐明哪些基因在开启或关闭时具有有害影响。例如，研究人员演示了在早期发育过程中某些组织是如何形成或受到阻碍的，但他们的方法可用于研究各种基因及其对细胞类型的连锁反应。 “我认为这是这项研究的开创性工作——可编程性以及我们不依赖外部因素来做到这一点，而是对细胞内部有很多控制，”Shariati 说道。研究人员对如何使用这种方法来研究其他物种感兴趣，从而无需使用它们的实际胚胎即可了解它们的胚胎形成。这项研究可以研究导致早期繁殖失败的瓶颈。在哺乳动物中，人类在繁殖方面面临更多挑战，因为人类胚胎经常无法植入或建立正确的早期组织形式。了解为什么会这样可以帮助我们在改善人类生育能力方面取得进展。