CRISPR激活技术助力小鼠胚胎模型构建：从基因编辑到形态发生

《Cell Stem Cell》：Self-organization of mouse embryonic stem cells into reproducible pre-gastrulation embryo models via CRISPRa programming

本研究利用CRISPR激活（CRISPRa）技术，成功构建了模拟小鼠胚胎早期发育的三维模型（CPEMs），揭示了其在胚胎形态发生中的关键作用，为胚胎发育研究提供了新工具。

　　

本研究聚焦于利用CRISPR激活（CRISPRa）技术构建小鼠胚胎模型（CPEMs），模拟胚胎早期发育过程，揭示细胞命运决定和形态发生的分子机制。

在胚胎发育研究中，构建能够模拟自然胚胎发育过程的模型一直是科学家们追求的目标。传统的胚胎模型构建方法依赖于复杂的生物化学优化和外源信号因子的添加，这些方法虽然取得了一定的成果，但在模拟胚胎发育的精确性和可操作性方面仍存在局限性。近年来，CRISPR激活（CRISPRa）技术的出现为这一领域带来了新的希望。CRISPRa技术通过激活细胞内源性的基因表达，能够更加精准地模拟胚胎发育过程中的基因调控网络，从而为胚胎模型的构建提供了新的思路。

本研究中，研究人员利用CRISPRa技术，针对小鼠胚胎干细胞（ESCs）中两个关键的非编码调控元件（位于Gata6和Cdx2基因附近）进行激活，成功诱导了胚胎干细胞分化为滋养层干细胞（TSCs）和额外胚外内胚层细胞（XEN）。这些细胞类型在小鼠胚胎发育过程中起着至关重要的作用。通过单细胞活体成像技术，研究人员观察到CRISPRa诱导的细胞通过集体迁移和有序排列，形成了具有胚胎形态特征的三维结构（CPEMs）。这些结构在形态和转录组水平上与自然胚胎具有高度相似性，为研究胚胎发育提供了理想的模型。

进一步的研究表明，CPEMs的形成依赖于细胞间的相互作用和信号传导。通过单细胞转录组测序分析，研究人员发现CPEMs中的细胞类型与自然胚胎中的细胞类型具有高度一致性，包括胚胎上皮细胞（Epi）、滋养层干细胞（TS）和额外胚外内胚层细胞（XEN）。这些细胞类型通过表达特定的标记基因（如Nanog、Cdx2和Gata6）来区分，并且在CPEMs中形成了类似自然胚胎的空间分布。此外，研究人员还发现CPEMs中的细胞间信号传导与自然胚胎中的信号传导具有相似性，这表明CPEMs能够模拟胚胎发育过程中的细胞间相互作用。

在CPEMs的构建过程中，研究人员还探索了通过延长CRISPRa诱导时间和同时激活多个细胞命运决定因子来提高滋养层干细胞（TSCs）的分化效率。结果表明，这些优化策略能够显著提高CPEMs中TSCs的比例，并增强其在模型中的整合能力。此外，研究人员还观察到CPEMs中形成了类似自然胚胎的前轴信号中心，这些信号中心对于胚胎的前后轴形成和对称性打破具有重要作用。

最后，研究人员对CPEMs的基底膜（BM）形成和重塑进行了研究。基底膜是胚胎发育过程中一个重要的结构，它不仅为胚胎提供物理支撑，还参与细胞信号传导和细胞迁移等过程。通过CRISPRa技术激活层粘连蛋白（Laminin）和基质金属蛋白酶（Mmp）基因的表达，研究人员成功诱导了CPEMs中基底膜的形成和重塑。这一发现不仅进一步证明了CPEMs在模拟胚胎发育过程中的潜力，还为研究基底膜在胚胎发育中的作用提供了新的模型。

综上所述，本研究通过CRISPRa技术成功构建了模拟小鼠胚胎早期发育的三维模型（CPEMs），并揭示了其在胚胎形态发生中的关键作用。这一成果不仅为胚胎发育研究提供了新的工具和模型，还为理解胚胎发育的分子机制和细胞间相互作用提供了新的视角。未来，随着CRISPRa技术的不断发展和优化，相信会有更多关于胚胎发育的奥秘被揭开，为生殖医学和发育生物学领域带来更多的突破和进展。