Science Advances新培养系统发现，早期人类胚胎中细胞拥挤程度影响细胞身份决定

巴伯拉罕研究所和威康- mrc剑桥干细胞研究所合作开发了一种细胞培养系统，可以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。

　　

新的培养系统发现，早期人类胚胎中细胞拥挤程度影响细胞身份决定

研究重点:

• 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，可以根据细胞密度将人类多能干细胞分化为羊膜外胚层和表面外胚层。

• 羊膜外胚层形成羊膜，包裹并保护胚胎。相反，表面外胚层产生身体外表面的组织，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，但其相似性的生物学意义尚未被理解。

• 利用新的培养方法，研究了羊膜外胚层与表面外胚层的发育关系。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。

• 这项研究提供了胚胎和胚胎外人类发育如何在原肠胚形成周围协调的综合理解。这也为改进羊膜和表面外胚层的制备方法提供了一条途径，并为更好地代表人类胚胎的基于干细胞的综合胚胎模型铺平了道路。

Shota Nakanoh博士在研究所的Teresa Rayon博士的实验室和剑桥干细胞研究所的Ludovic Vallier教授的实验室合作进行了一项研究，确定了早期人类胚胎中细胞拥挤的程度会影响细胞是发展为胚胎外细胞还是成为胚胎的一部分并最终发育成皮肤、头发和指甲。这项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，使用人类多能干细胞(hPSC)来了解更多关于在原肠胚形成前后(受精后约两周)人类胚胎中羊膜和表面外胚层如何产生的信息。

相似但不同的组织——羊膜和表面外胚层的奥秘

羊膜外胚层是在发育中的胚胎周围形成膜的单细胞层。它也为人类胚胎发育提供了必要的信号，然而，人类羊膜是如何形成的仍不完全清楚。

表面外胚层是一层致密的表皮祖细胞，它形成了身体的表面覆盖物，如皮肤，以及牙齿、头发和指甲等相关特征。如果生产它的技术能够得到改进，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，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分化，一直是个谜。

细胞拥挤影响细胞身份

Nakanoh博士为人乳头状细胞定制了培养条件，发现补充激活素A、BMP4、gsk3 - β抑制剂和MEK抑制剂促进了它们向羊膜外胚层的分化。利用共培养技术形成细胞聚集体，他能够确认生成的羊膜外胚层细胞启动原肠胚形成的能力。单细胞RNA测序分析也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生物信息学主任Irina Mohorianu博士的专业知识下，将基因表达数据与处于可比发育阶段的灵长类胚胎的公开数据进行了比较，验证了培养系统中产生的细胞类型，证明了它们与相应胚胎组织的相似性。此外，我们还观察到了灵长类胚胎从表面外胚层状态到羊膜外胚层状态的发育途径。

最重要的是，Nakanoh博士发现两种细胞类型的区别取决于细胞密度;细胞在稀疏条件下变成羊膜外胚层的地方。相反，高密度培养导致细胞表达表面外胚层标志物，而不表达羊膜外胚层标志物。这些细胞也能够分化为下游表皮细胞类型，角质形成细胞，这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细胞命运选择的唯一因素。

研究小组还发现，新的培养系统产生了类似胚胎外中胚层的细胞，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:“羊膜保护胚胎，提供关键的发育线索，而表面外胚层则是成年人身体的重要组成部分。”这两种细胞类型都具有很高的临床价值，是成功建立人类胚胎体外模型的重要因素。虽然有将细胞分化为羊膜细胞或表面外胚层细胞的方案，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，从而使我们更确定产生感兴趣的细胞类型。”

将这种细胞拥挤效应应用到发育中的人类胚胎中，研究人员提出了这些相似的组织是如何在原肠胚形成前的胚胎中分化的，其中羊膜外胚层形成为具有相对少量细胞的松散薄片，而表面外胚层形成为连续的致密细胞薄片。

建立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尽可能地利用基于干细胞的胚胎模型概括人类胚胎发育非常重要。这些模型越来越多地被用于探索人类胚胎研究技术和监管限制之外的人类发展。

特雷莎·雷扬博士是研究所表观遗传学研究项目的终身研究员，她说:“我们最近才开始探索人类发育过程中羊膜的生成。这些发现促进了我们对如何在体外实验室中产生胚胎外细胞的理解，并揭示了在与人类发育的“黑箱”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的替代品越来越感兴趣，这项工作为成功建立综合模型提供了更多的知识。”

现任柏林慈善健康研究所(BIH)干细胞再生疗法教授的Vallier教授说:“我们的培养系统还能产生胚胎外中胚层，这是另一种在人类胚胎中没有得到很好研究的组织。它将提供对人类发展的更好理解，并可能提高我们对影响胎儿生命第一步的疾病的认识。这项工作也为细胞密度在细胞命运决定中的作用的新研究打开了大门。”