胚胎干细胞向内胚层分化的分子机制及其组学研究进展

胚胎干细胞(ESC)在发育过程中分化为内胚层、中胚层和外胚层3个胚层.其中内胚层进一步向终末细胞的分化,是形成整个消化道和呼吸道,以及肝脏、胰腺等器官的基础.ESC形成内胚层主要经历以下几个分化阶段:外胚叶的分化、原条的形成、内胚层与中胚层的分离以及定型内胚层的形成.本文主要从信号通路、转录因子以及表观遗传调控等几个方面综述胚胎干细胞向内胚层分化的分子机制,并重点介绍其组学研究进展,以期为该领域研究者提供重要参考信息.     

干细胞命运决定的分子调控网络

来源于囊胚期胚胎内细胞团的胚胎干细胞具有独特的生物学特性,包括无限自我更新的能力以及分化为内胚层、中胚层和外胚层各种细胞的潜能.阐明胚胎干细胞全能性维持以及向各种特定细胞分化的分子机制,不仅有助于我们了解胚胎发育过程,而且将促进胚胎干细胞尽早应用于疾病治疗.本文主要就干细胞的一种命运决定过程,维持胚胎干细胞全能性或失去全能性开始分化,结合最新的研究进展讨论该过程中的分子调控网络,包括信号转导通路、表达调控网络以及表观遗传调控.     

组蛋白甲基化修饰酶与早期胚胎发育

早期胚胎发育是胚胎发育中细胞分裂与分化最为活跃的时期,也是合子型基因大规模转录的时期,而此时组蛋白的甲基化修饰也显示出动态学的变化。这一时期,在细胞内外信号的共同调控下,经历着一系列基因的激活与抑制,许多调控机制参与其中的调控。而近年来的研究表示,表观遗传学调控显示越来越重要的作用。组蛋白甲基化修饰是表观遗传学重要调控机制之一,在胚胎的早期发育过程中扮演着重要的角色。就近年来组蛋白甲基化修饰酶在早期胚胎发育过程中的作用与功能做一简要综述。     

人胚胎干细胞的体外定向分化

人胚胎干细胞（human embryonic stem cells,hESCs）由囊胚期胚胎内细胞团分离培养获得,具有保持未分化状态的无限增殖能力。hESCs具有多向分化潜能,在体内和体外均可分化形成所有三个胚层（外胚层、中胚层、内胚层）的衍生物。hESCs一般在鼠胚胎成纤维细胞（mouse embryonic fibroblast,MEF）饲养层上培养和扩增。为了优化培养条件,目前人们已发展了多种人类细胞饲养层和无饲养层、非条件培养基体系。hESCs可以在体外定向诱导分化为多种细胞类型,为揭示人胚早期发育机制和发展多种疾病的细胞移植治疗奠定了基础。hESCs可以在体外进行遗传修饰,将有助于揭示特定基因在发育过程中的调控和功能。对hESCs的深入研究将极大地推动医学和生命科学的进展,并将最终应用于临床,造福人类。     

HOXB6启动人胚胎干细胞向中胚层分化

HOXB6在胚胎发育过程中发挥重要作用,但在人胚胎干细胞中胚层分化中的作用尚不清楚。该研究利用人胚胎干细胞中胚层分化模型结合RNA-seq分析发现,HOXB6在中胚层分化过程中显著上调,敲降HOXB6的表达抑制人胚胎干细胞向中胚层分化,提示HOXB6在中胚层分化过程中发挥功能。通过建立HOXB6诱导性过表达的人胚胎干细胞株发现,HOXB6过表达抑制人胚胎干细胞多能性标志分子的表达,并且显著上调中胚层标志分子的表达。该研究表明,HOXB6单独过表达能够启动人胚胎干细胞向中胚层分化,为理解人类早期发育和建立人胚胎干细胞高效诱导分化体系提供了理论依据。     

利用胚胎干细胞分化的拟胚体研究小鼠早期胚胎发育过程

小鼠胚胎干细胞(ES细胞)具有分化的全能性已经得到广泛共识。ES细胞在体外分化所形成的拟胚体在结构上能够模仿早期胚胎发育过程,包括在内细胞团表面形成内胚层、柱状上皮细胞的分化,以及中央空腔的形成。本文介绍利用拟胚体研究小鼠早期胚胎发育过程中各个胚胎阶段的发育、细胞程序性死亡的发生及TGF-β信号在胚胎发育过程中的作用。     

LincRNA1230抑制小鼠胚胎干细胞向神经前体细胞分化

胚胎干细胞是一类具有多向分化潜能的细胞.胚胎干细胞可以模拟体内发育过程,在无外界信号分子刺激的情况下,自发向神经前体细胞分化.有研究表明,这一体外发育过程受神经分化相关转录因子和表观遗传修饰的共同调控,然而该过程中的分子机制尚不清楚.本研究发现长链非编码RNA1230(LincRNA1230)参与了小鼠(Mus musculus)胚胎干细胞向神经前体细胞的分化过程.在小鼠的胚胎干细胞中过表达LincRNA1230可以显著抑制其神经分化效率;反之,干扰LincRNA1230可以提高分化效率.进一步研究表明,LincRNA1230通过结合Wdr5,降低神经分化相关基因启动子区H3K4me3的修饰水平,从而抑制相关基因的表达活性.这些发现揭示了LincRNA1230在小鼠胚胎干细胞神经分化过程中的重要作用.     

小鼠胚胎干细胞分化形成拟胚体过程中的细胞程序性死亡

为了检测小鼠胚胎干细胞 (embryonicstemcell ,ES细胞 )体外分化的拟胚体 (embryoidbodies ,EBs)形成过程中细胞程序性死亡 (programmedcelldeath ,PCD)的发生 ,通过悬滴、悬浮培养技术定向诱导未分化的ES细胞分化为拟胚体 ,并用RT PCR检测原始内胚层、原始外胚层、中胚层、内脏内胚层 4种分子标记物在EBs中的表达 .通过TUNEL染色、电镜、激光共聚焦显微镜及Western印迹以确定凋亡发生 .结果表明 :ES细胞体外分化为拟胚体并且表达各胚层相应的分子标记物 ;在拟胚体的发育过程中出现明显的空腔化过程 ,TUNEL染色及电镜观察到凋亡生成 ,同时线粒体膜电位 (ΔΨm)在拟胚体发育过程中降低 ,通过Western印迹检测到caspase3、caspase8的激活 .表明小鼠ES细胞所分化的拟胚体可以作为研究早期胚胎发育的实验模型 ,线粒体在拟胚体的细胞程序性死亡过程中发挥重要的作用 .为进一步利用拟胚体研究细胞程序性死亡及相关信号分子在小鼠胚胎发育早期的作用奠定了基础     

Nodal/Smad2靶基因的系统鉴定及其在早期胚胎发育中的功能机制

Nodal/Smad2信号通路在脊椎动物胚胎中内胚层诱导及其背腹分化中发挥着主导作用,但是在胚胎早期发育中,Nodal/Smad2信号调控哪些靶基因表达,这些靶基因如何在Nodal/Smad2信号下游发挥作用,人们仍然所知甚少。以国家自然科学基金委员会"细胞编程与重编程的表观遗传机制"重大研究计划为依托,王强实验室在全基因组水平上对斑马鱼胚胎原肠早期Nodal/Smad2信号通路的靶基因进行了系统鉴定,并通过分析Smad2结合区域的其他转录因子保守的结合序列的出现频率,鉴定了一批潜在的Smad2的协同转录因子。研究发现,Nodal/Smad2的靶基因主要由转录因子、发育相关基因及重要信号通路的调控因子组成,其中F-actin捆绑蛋白Fascin1a和鸟核苷酸交换因子Net1分别通过调控受体内吞与Smad2转录活性反馈调控Nodal信号转导和中内胚层形成,而BPTF做为Smad2协同转录因子,通过调节核小体滑动来调控wnt8a表达,在中枢神经系统后部化过程中发挥重要作用。相关研究工作构建了Nodal/Smad2信号在斑马鱼中内胚层诱导及体轴建立中的分子网络,为理解脊椎动物早期胚胎发育过程中的基因表达调控机制提供了有意义的线索。     

原始生殖细胞发生的机制

生殖细胞的发生是发育和遗传的基础。在几乎所有哺乳动物中,原始生殖细胞（primordial germ cell,PGC）均由近端上胚层体细胞在周边细胞特定的信号诱导下特化而成。目前的研究已经发现一些与生殖细胞特化有关的信号分子和关键转录调控元件,以及特化后生殖细胞获得的与体细胞不同的生物特性。生殖细胞的特化是一个结合了体细胞发育程序的抑制、细胞多能性程序的启动和全基因组表观遗传重编程三个方面的动态的复杂过程。多能性干细胞（胚胎干细胞或诱导型多能干细胞）具有发育全能性,能分化为机体任何一种细胞类型,包括生殖细胞。利用多能性干细胞体外分化形成生殖细胞有助于深入系统地研究配子发生的调控机制,为干细胞在不育症治疗方面的应用带来新希望。     

原始生殖细胞发生的机制

生殖细胞的发生是发育和遗传的基础。在几乎所有哺乳动物中,原始生殖细胞(primordial germ cell,PGC)均由近端上胚层体细胞在周边细胞特定的信号诱导下特化而成。目前的研究已经发现一些与生殖细胞特化有关的信号分子和关键转录调控元件,以及特化后生殖细胞获得的与体细胞不同的生物特性。生殖细胞的特化是一个结合了体细胞发育程序的抑制、细胞多能性程序的启动和全基因组表观遗传重编程三个方面的动态的复杂过程。多能性干细胞(胚胎干细胞或诱导型多能干细胞)具有发育全能性,能分化为机体任何一种细胞类型,包括生殖细胞。利用多能性干细胞体外分化形成生殖细胞有助于深入系统地研究配子发生的调控机制,为干细胞在不育症治疗方面的应用带来新希望。     

胚胎干细胞分化过程中的表观遗传调控

作为一类既有自我更新能力,并具有多向分化潜能的细胞,胚胎干细胞具有非常重要的理论研究意义和临床应用前景。近期以胚胎干细胞为模型,研究有关干细胞分化的表观遗传调控已成为新的研究热点。本文就胚胎干细胞分化过程中DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA调控以及与胚胎干细胞分化密切相关的表观遗传学动态变化做一概述,对表观遗传学改变与胚胎干细胞分化关系的基础研究进行探讨。     

Wntless/GPR177在小鼠原肠发生和心脏发育中必不可少

小鼠早期胚胎发育包含原肠运动和器官发生等重要发育过程,这些过程受多种信号通路调控,其中有Wnt、BMP、Nodal、FGF等信号通路,它们之间进行精细严密的协调,保证胚胎发育的正确进行。β-联蛋白作为Wnt配体的共同下游信号分子,在小鼠原肠运动和器官发生中发挥至关重要的作用。Wntless/GPR177在以前的研究中已被报道参与调节Wnt配体的成熟、分选和分泌等,小鼠全身剔除Wntless（Wls）将严重影响胚胎体轴形成。在该研究中,Wls被特异性地在上胚层、心血管中胚层和心肌祖细胞中剔除,以探索Wls如何参与到小鼠原肠运动和心血管发育中。我们发现,在上胚层剔除Wls后,明显阻断了上皮-间充质转化过程,这是中胚层迁移中的关键步骤。在Wls条件性剔除的上胚层中,β-联蛋白表达模式发生变化,表达水平明显下降;E-钙黏着蛋白和N 钙黏着蛋白明显上升。此外,被剔除Wls的上胚层中,细胞凋亡明显增加。不论是在心脏中胚层还是在心脏前体细胞中,剔除Wls都导致严重的心血管发育缺陷和胚胎死亡,证明Wls对心脏发育同样十分重要。这些研究结果证明,Wntless在小鼠原肠运动和心脏发育中均发挥十分重要的作用。     

Wntless/GPR177对小鼠原肠发生和心脏发育至关重要（英文）

小鼠早期胚胎发育包含原肠运动和器官发生等重要发育过程,这些过程受多种信号通路调控,其中有Wnt、BMP、Nodal、FGF等信号通路,它们之间进行精细严密的协调,保证胚胎发育的正确进行。β-联蛋白作为Wnt配体的共同下游信号分子,在小鼠原肠运动和器官发生中发挥至关重要的作用。Wntless/GPR177在以前的研究中已被报道参与调节Wnt配体的成熟、分选和分泌等,小鼠全身剔除Wntless(Wls)将严重影响胚胎体轴形成。在该研究中,Wls被特异性地在上胚层、心血管中胚层和心肌祖细胞中剔除,以探索Wls如何参与到小鼠原肠运动和心血管发育中。我们发现,在上胚层剔除Wls后,明显阻断了上皮-间充质转化过程,这是中胚层迁移中的关键步骤。在Wls条件性剔除的上胚层中,β-联蛋白表达模式发生变化,表达水平明显下降; E-钙黏着蛋白和N-钙黏着蛋白明显上升。此外,被剔除Wls的上胚层中,细胞凋亡明显增加。不论是在心脏中胚层还是在心脏前体细胞中,剔除Wls都导致严重的心血管发育缺陷和胚胎死亡,证明Wls对心脏发育同样十分重要。这些研究结果证明,Wntless在小鼠原肠运动和心脏发育中均发挥十分重要的作用。     

早期胚胎细胞谱系研究——揭示生命发育早期的黑盒子

哺乳动物的早期胚胎发育,通过多个层次的细胞命运决定,建立了胚胎器官发生、形态建成的整体发育蓝图,是生命体最重要的分子事件之一。早期胚胎发育过程伴随了全能性的维持和分化,以及各种多能干细胞命运的次序决定,任何发育进程上的缺陷都会对整个胚胎个体产生深远的影响。因此,研究早期胚胎谱系建立的过程、不同胚层和组织前体细胞的命运决定及其发生与发展的调控机制,不仅仅是面对国家人口政策的变化以及优生优育的需求,预防和减少早期发育疾病,还能够指导胚胎干细胞及各种多能干细胞的分化和进一步转化医学应用,因而具有极其重要的生物学意义。     

动物极帽生物分析法在细胞分化分子调控研究中的应用

动物极帽是两栖类囊胚期预定外胚层的部分,可以在不同条件下诱导分化为中胚层和内胚层的组织或器官。动物极帽生物分析法（animal cap bioassay）在研究两栖类动物胚胎干细胞分化的分子机制中发挥了重要的作用。该文综述了近5年内动物极帽分析法在研究中胚层、血管和神经细胞分化分子调控中的应用。     

哺乳动物原始生殖细胞体内特化和体外培养

原始生殖细胞(primordial germ cells, PGCs)是胚胎中最先出现的生殖细胞。PGCs来源于上胚层,最早出现在后肠,随后向生殖嵴迁移。这一过程伴随一系列复杂的分子调控机制,以及DNA甲基化重编程和组蛋白修饰等表观遗传过程。PGCs经过不断的分裂、发育及分化,最终形成配子。为了更好地研究PGCs发育与分化的调控和表观遗传过程,体外培养的研究变得越来越重要。本文以小鼠和人为例,介绍了哺乳动物PGCs的特化过程、PGCs特化过程中的表观遗传过程和PGCs的体外培养研究进展。     

动物早期胚胎发育中染色质结构的继承和重编程

染色质开放性和染色质三维高级结构在基因表达和调控中发挥着非常重要的作用,广泛参与分化、发育、肿瘤发生等细胞生理过程,是表观遗传研究的热点领域之一。动物胚胎发育起始于终端分化的卵子受精形成全能性的受精卵。在精卵结合的过程中,染色质开放性和染色质三维高级结构发生了剧烈的变化,经历继承、重编程、重新建立的过程,并指导调控受精卵分化发育最终成为多细胞、多器官组织的新生命个体。本文介绍了近年来研究染色质开放性和染色质三维高级结构的实验分析技术手段,染色质结构在动物早期胚胎发育过程中的变化规律及其在早期胚胎发育中的作用,染色质结构与其他表观遗传信息(甲基化、组蛋白修饰等)关系方面的重要研究进展和存在的科学问题,以期为表观遗传调控早期胚胎发育的研究提供参考。     

中胚层细胞谱系研究

深入认识中胚层细胞谱系产生和发育分化过程有助于体外获得大量可用于移植的、有功能的中胚层来源成体干细胞,为基础科学和再生医学治疗提供理论指导。中国科学院战略性科技先导专项"干细胞与再生医学研究"项目内的中胚层研究,以肌肉和血液两个中胚层来源细胞谱系决定为切入点,探讨中胚层细胞谱系在发育分化过程中的重要功能和调控机制,建立成体干细胞体外扩增培养体系,为中胚层来源干细胞的自我更新、迁移增殖和定向分化研究提供重要的理论基础,并为中胚层系统疾病提供治疗靶点和细胞来源。现将对先导项目启动五年来开展的研究内容及其取得的研究成果进行介绍。     

斑马鱼胚胎背腹轴建立的分子机制

脊椎动物胚胎发育起始于体轴的建立,是胚胎早期发育过程中最重要的事件之一。Wnt、BMP、Nodal和FGF等多个信号通路协同调控细胞分化和细胞运动,促进胚胎胚层的形成和空间上的分离,调控胚胎背腹轴、前后轴和左右轴线的分化,为胚胎进一步发育勾勒出蓝图。本文主要综述斑马鱼胚胎背腹轴建立的分子机制,包括背部组织中心简介;母源Wnt/β-catenin信号调控背部组织中心形成的分子机制;BMP信号调控背腹轴建立的分子机制。