最新研究：重现生命的最初阶段
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在努力了解生命的最早期阶段以及如何出错的过程中，科学家们面临着围绕人类胚胎使用的伦理问题。动物胚胎的使用也受到基于伦理考虑的限制。为了克服这些限制，科学家们一直在尝试用干细胞重建早期胚胎。
创造这些所谓的人工胚胎的挑战之一是，在胚胎植入子宫壁之前，要产生年轻胚胎中正常存在的所有细胞类型。其中一些细胞最终形成胎盘。另一些则成为胎儿生长的羊膜囊。胎盘和羊膜囊对胎儿的存活都至关重要，而这些胚胎成分的缺陷是早孕丢失的主要原因。
来自京都大学 iPS 细胞研究与应用中心 Gladstone 研究所的一组科学家，位于日本神户的 RIKEN 生物系统动力学研究中心现在已经证明，在他们用老鼠干细胞制造的人工胚胎中，胎盘和羊膜囊的前体存在。
“我们的发现提供了强有力的证据，证明我们的系统是研究早期胚胎的一个很好的模型，“胚胎发育的植入前阶段，”Kiichiro Tomoda 博士说，他是最近在 Gladstone 成立的 iPS 细胞研究中心的研究人员，该研究的第一作者，发表在《干细胞报告》杂志上利用这个模型，我们将能够分析在这些早期阶段发生的分子事件，以及不同胚胎细胞相互传递的信号，这一知识可能有助于科学家制定策略，以减少由于早期胚胎发育出现问题而导致的不孕。
这一新发现还可能阐明实验室难以捕获的早期胚胎细胞的一个决定性特性：它们产生胚胎中发现的所有细胞类型的能力，最终，整个身体。科学家将这种特性称为 “全能性”。
“全能性是早期胚胎细胞的一种非常独特且寿命很短的特性，” 里肯生物系统动力学研究中心的研究员、该研究的资深作者 Cody Kime 博士说。
“在实验室里利用它比多能性要困难得多，” 他补充道，指某些细胞产生多种（但不是全部）细胞类型的能力。” 我们工作的一个非常令人兴奋的前景是能够理解我们如何在实验室对细胞进行重新编程，以实现全能性。”
在实验室培养早期胚胎的基本成分，以生成合成胚胎，科学家们从通常只产生胎儿的小鼠多能干细胞开始，而不是胎盘或羊膜囊。他们可以培养这些细胞，称为外胚层干细胞，并在实验室无限期地繁殖它们。
在以前的研究中，研究小组发现了一种营养物质和化学物质的组合，可以使外胚层干细胞组装成与植入前胚胎非常相似的小细胞结构。事实上，当移植到雌性小鼠体内时，这些结构甚至可以达到着床阶段，尽管之后不久它们就退化了。
“这意味着我们可以成功地重新编程使外胚层细胞恢复到早期阶段，即胚胎细胞具有全能性，同时也是 CiRA 项目研究中心副教授的 Tomoda 解释说：“这为我们如何产生胎儿和支持其植入的组织提供了线索。为了在这项工作的基础上更好地理解重编程过程，科学家们需要分子分辨率。在他们的新研究中，他们转向了单细胞 RNA 测序，这项技术使科学家能够根据基因的开启或关闭来研究单个细胞。
在分析了数千个由外胚层干细胞重新编程的单个细胞，并通过计算机分析筛选数据后，他们证实，经过 5 天的重编程后，一些细胞与胎儿、胎盘和羊膜囊的所有三种前体细胞非常相似。
此外，当它们在实验室中再生长几天时，这三种细胞类型显示出更明显的分子特征，与真胚模型细胞极为相似。这与正常胚胎生长过程中的预期相同，当这三种组织获得不同的物理特性和生物功能时。
“我们的单细胞 RNA 测序分析证实，在我们的合成胚胎系统中，出现了导致早期哺乳动物胚胎三种基本成分的细胞类型，”Kime 说此外，它还揭示了与这些前体的发育及其向特定组织的成熟有关的基因和生物途径的惊人细节。”
这一知识为理解早期胚胎发育的机制及其失败的可能原因提供了全面的背景。
目前，科学家们计划研究提高重编程效率的方法，以便可靠地生产出大量类似植入前的人工胚胎，用于进一步研究。这将使他们能够进行迄今为止无法想象的实验，比如大规模筛选破坏早期胚胎的基因突变。他们还希望更好地了解重编程的分子步骤。尤其是，他们计划在重编程过程中提前 5 天进行研究，希望能在合成胚胎的起源处找到真正全能的细胞。
“我们可以对细胞进行重编程，使其适应更早、更具多能性的状态，这一发现在 15 年前彻底改变了发育生物学，”Tomoda 说，提到他和 Kime 的导师、诺贝尔奖获得者山中伸弥（Shinya Yamanaka）发现了诱导多能干细胞，他说：“在过去的几年里，利用干细胞的合成胚胎学领域发生了真正的爆炸。” 我们制造人工胚胎的方法比其他方法简单，而且效率很高。我们认为这将是许多实验室的巨大资源。”
