干细胞来源的类原肠胚中人类原始生殖细胞样细胞的自发出现：揭示内源性BMP信号在生殖系起源中的作用

《SCIENCE ADVANCES》：The emergence of human primordial germ cell–like cells in stem cell–derived gastruloids

编辑推荐：人类早期胚胎发育研究面临技术和伦理限制，剑桥大学团队利用人胚胎干细胞（hESCs）构建三维类原肠胚模型（hGs），首次在不添加外源骨形态发生蛋白（BMP）条件下观察到原始生殖细胞样细胞（PGCLCs）自发形成，揭示羊膜样细胞通过ISL1依赖的内源性BMP信号调控生殖系特化，为研究人类原肠运动和生殖细胞起源提供新范式。论文发表于《SCIENCE ADVANCES》。

　　

人类生命的开端如同一场精妙的交响乐，每个细胞的分化都遵循着严密的时空程序。然而，由于技术和伦理限制，科学家对植入后人类胚胎发育的认识长期依赖动物模型。特别是原始生殖细胞（PGCs）——未来精子和卵子的前体细胞，其起源机制在人类中仍存在诸多谜团。传统研究需要外源添加骨形态发生蛋白（BMP）才能在体外诱导PGC样细胞（PGCLCs），这与体内自然发育过程存在显著差异。剑桥大学的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表突破性成果，通过人胚胎干细胞（hESCs）构建自组织三维类原肠胚模型（hGs），首次揭示了内源性BMP信号调控人类生殖系特化的新机制。

研究团队运用单细胞RNA测序（scRNA-seq）、CRISPR-Cas9基因编辑、荧光报告系统（如NANOS3-tdTomato和SMAD1-RFP）和免疫荧光染色等关键技术。通过优化WNT激动剂CHIR99021（CH）浓度（0.25 μM）和短暂激活NODAL信号（使用Activin A），实现了hESCs向三胚层结构的自发分化。利用RUES2-GLR多报告基因细胞系实时追踪外胚层（SOX2-mCitrine）、中胚层（TBXT-mCerulean）和内胚层（SOX17-tdTomato）的动态形成过程。

研究结果部分：

1. 类原肠胚模型的建立：hGs在D3时转录组特征与卡内基分期7（CS7）人类原肠胚高度相似，包含明确的三胚层结构和前后轴模式。单细胞分析揭示22种细胞亚群，其中8%的SOX2⁺TBXT⁺双阳性细胞被鉴定为神经中胚层前体（NMPs）。

2. PGCLCs的自发出现：在无外源BMP条件下，hGs中检测到NANOS3⁺SOX17⁺TFAP2C⁺的PGCLCs，其转录特征与CS7期人类PGCs最为接近。值得注意的是，这些细胞同时存在于原始条纹样细胞和羊膜样细胞（AMLCs）区域，提示PGCLCs可能具有双重起源。

3. ISL1基因的关键作用：CRISPR敲除ISL1导致AMLCs标志物GATA3消失，并完全阻断PGCLC形成。外源添加BMP2可挽救ISL1突变体的表型，证实AMLCs通过分泌BMP调控生殖系特化。SMAD1-RFP报告系统显示，WNT信号通过激活中胚层细胞产生BMP4，进而诱导AMLCs形成。

这项研究建立了首个不依赖外源生长因子的人类生殖细胞发育模型，揭示羊膜组织作为内源性BMP信号源的关键地位。ISL1-BMP信号轴的发现为理解人类生殖系异常相关疾病提供新视角。类原肠胚模型克服了胚胎材料的获取限制，使在伦理框架下研究人类原肠运动和早期谱系决定成为可能。未来通过优化培养系统追踪PGCLCs的迁移和成熟过程，将推动生殖医学和再生治疗领域的突破性进展。