1月14日，廣醫三院范勇團隊牽頭聯合昆明理工大學譚韜團隊、北醫三院李蓉和于洋團隊，在Cell Stem Cell 在線發表了題為“Modeling early gastrulation in human blastoids with DNA methylation patterns of natural blastocysts” 的最新研究成果。
該研究利用4CL體系建立naive態的人多能干細胞，再通過多種小分子組合，構建了在形態、轉錄特征、DNA甲基化水平，以及基因印記模式均與體內自然囊胚高度相似的4CL類囊胚（4CL-blastoids）模型。 同時，4CL-blastoids能夠模擬自然囊胚進行著床后發育，體外發育出現早期原腸階段的形態學特征和譜系特化，并起始早期造血發生。該模型囊括了囊胚形成、植入和早期原腸胚形成等發育階段，為人類早期胚胎發育提供寶貴見解。
利用5iLA或PXGL等多種 naive多能干細胞（na?ve pluripotent stem cell，na?ve PSCs），可以高效獲得與正常囊胚形態結構類似的類囊胚 (blastoids)，并具有正常囊胚類似的細胞譜系特征，展現出了巨大的運用價值。然而，目前對于類囊胚是否可以模擬早期胚胎發育的表觀遺傳學調控過程，特別是對于早期胚胎發育至關重要的DNA甲基化及印記基因達特征，尚不清晰，這是否會影響類囊胚體外的進一步發育，也不明確。
針對上述問題，研究團隊利用4CL 培養系統建立naive hPCSs，并以此為起始細胞優化建立了4CL-blastoids。獲得的4CL-blastoids在形態學和轉錄組水平上與正常人類囊胚高度相似。更重要的是，該研究首次分析了不同naive細胞及其建立的blastoids中表現的DNA甲基化和基因印記模式，并與人類正常囊胚的數據進行了對比。結果顯示，4CL naive hPCSs甲基化水平與正常人類ICM的甲基化水平相似，生成的4CL-blastoids細胞譜系在DNA甲基化模式和基因印記上與人類正常囊胚高度一致。然而5iLA naive hPCSs和PXGL naive hPCSs，及其各自衍生的blastoids表現出全基因組范圍的超低低甲基化，與人類正常囊胚差異明顯。這些表明起始細胞的DNA甲基化狀態對blastoids生成過程中各細胞譜系的甲基化模式具有持續性影響。此外，4CL blastoids保留了印記控制區域（imprinting control regions，ICRs）及母源/父源印記基因的甲基化模式和表達，而5iLA blastoids和PXGL blastoids中展現出不同程度的印記丟失。
圖1. Blastoids的DNA甲基化圖譜 (A) 在naive hPSCs和blastoids中評估DNA甲基化的示意圖。(B) 小提琴圖顯示了通過WGBS數據分析的4CL、5iLA和PXGL naive hPSCs的平均DNA甲基化水平，以及通過RRBS數據分析的blastoids的ICM和TE-LCs與胚泡期(ICM和TE)的比較。
研究進一步發現4CL-blastoids展現了巨大的植入后發育潛力，能夠在體外3D懸浮培養系統中發育至第14天，模擬從胚泡形成到早期原腸胚形成的關鍵過程。這一模型不僅連接了著床前與著床后階段，還展現了人類胚胎發育中一系列重要事件：滋養層細胞的分化與增殖，三胚層，原條，羊膜腔和卵黃囊的形成，前后軸的建立，中胚層譜系的發育，以及原始生殖細胞和生血成血管細胞的出現。在早期人類胚胎中，造血系統最初在卵黃囊中發育，由一類具有造血和內皮潛能的中胚層前體細胞——生血成血管細胞（hemogenic angioblast，HAB）——分化而來。在第14天的4CL類胚囊中，我們鑒定出一群HAB-LCs，這些細胞表達內皮基因（如PECAM1）、胚外中胚層基因（如ANXA1和HAND1）以及造血前體標志基因（如CD34、HHEX和RUNX1）。通過基因表達分析，這些細胞與猴胚胎中的HAB高度相似，并顯示出向紅系和髓系祖細胞分化的潛能。免疫熒光分析進一步確認了RUNX1和CD31共表達的細胞聚集在卵黃囊樣細胞附近，提示這些細胞可能處于早期造血分化階段?；蚋患治霰砻鳎@些細胞的高表達基因與胚胎造血和內皮發育密切相關。盡管HAB-LCs的數量有限，4CL類胚囊仍為研究早期造血和血管生成提供了一個重要的模型。
圖2. 4CL-blastoid在3D懸浮系統中發育至早期原腸胚的模式圖
綜上，4CL-blastoids作為一種人類胚胎發育的體外模型，為研究人類早期胚胎發育的關鍵結構和細胞譜系的生成提供了重要的工具模型。從囊胚形成到早期原腸胚的發育，這一模型不僅展示了連續性的發育事件，還在表觀遺傳學領域開辟了新的研究視角。隨著類胚胎技術的不斷優化和新模型的開發，有望更深入地揭示人類胚胎發育的奧秘，重塑早期器官發育的過程和細胞譜系的分化軌跡，為生殖醫學和遺傳疾病研究提供新的思路。
