撰文丨亦

羊膜作為哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育中關(guān)鍵的胚胎外組織，在胚胎保護(hù)、機(jī)械支撐及信號(hào)傳遞中發(fā)揮重要作用。然而，由于人類胚胎研究面臨的技術(shù)與倫理限制，尤其是植入后階段胚胎獲取的困難，羊膜形成的分子機(jī)制及其功能研究長(zhǎng)期受限?，F(xiàn)有體外模型（如 2D培養(yǎng)或早期3D囊狀結(jié)構(gòu)）無法準(zhǔn)確模擬羊膜囊的雙層結(jié)構(gòu)（羊膜外胚層與中胚層）及功能特性。因此， 亟需 開發(fā)一種高保真、可擴(kuò)展的模型，以重現(xiàn)人類胚胎外發(fā)育的復(fù)雜過程 。

近日， 來自 英國弗朗西斯·克里克研究所 的Borzo Gharibi和Silvia D. M. Santos團(tuán)隊(duì) 在Nature上發(fā)表了一篇題為Post-gastrulation amnioids as a stem cell-derived model of human extra-embryonic development的文章， 成功 構(gòu)建了名為“后原腸胚期羊膜類器官”（ Post-gastrulation amnioids, PGAs）的 胚胎干細(xì)胞 3D模型 。

研究 者首先 進(jìn)行模型構(gòu)建，他們使用 H1人胚胎干細(xì)胞（hESCs），通過時(shí)序刺激（BMP4誘導(dǎo)羊膜外胚層，CHIR99021激活Wnt信號(hào)誘導(dǎo)中胚層），在無外源基質(zhì)條件下自組織形成PGAs。 經(jīng)過 3D培養(yǎng)14天后，羊膜囊直徑可達(dá)1.5 cm，并穩(wěn)定維持3個(gè)月以上 ，且組織結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征與真實(shí)羊膜高度一致 。

隨后，研究者 對(duì)建立的P GAs 進(jìn)行單細(xì)胞多組學(xué)分析 ，發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞類型、蛋白組和代謝組多個(gè)層面上，P GAs 都很好地模擬了人類羊膜囊 。他們先使用 scRNA-seq解析PGAs發(fā)育過程中的細(xì)胞類型，軌跡推斷顯示細(xì)胞從外胚層向羊膜及中胚層分化。 而后利用蛋白質(zhì)組學(xué) 比較羊膜液內(nèi)外成分，發(fā)現(xiàn) 2,915種蛋白質(zhì)，其中 2,370 種為羊膜液特有 ， 1,245種功能蛋白（如HGF、TGFβ2） 為 與人類羊膜液共享 。 隨后利用代謝組學(xué) 鑒定羊膜液中 3′- 腺苷單磷酸、肌醇等代謝物， 這 揭示羊膜可能參與葉酸代謝調(diào)控 。以上提示P GAs 模型具備營養(yǎng)運(yùn)輸和代謝調(diào)控功能。

進(jìn)一步地， 研究者進(jìn)行了 分子機(jī)制的探索 ，他們發(fā)現(xiàn) siRNA敲除GATA3 會(huì) 導(dǎo)致羊膜結(jié)構(gòu)缺失，而CRISPRa激活GATA3可在無外源信號(hào)下誘導(dǎo)羊膜生成 ， 這說明 GATA3 對(duì)于羊膜生成非常重要 。 而阻斷信號(hào)通路，如抑制 BMP（LDN193189）或Wnt（XAV939）信號(hào)后，hESCs無法響應(yīng)胚胎外中胚層的誘導(dǎo)信號(hào)，羊膜形成 會(huì) 受阻 ， 提示 BMP 和 Wnt 信號(hào)通路 驅(qū)動(dòng)羊膜分化 。

最后作者對(duì)P GAs 模型 進(jìn)行了跨物種整合 ， 通過 scmap算法將PGAs的scRNA-seq 數(shù)據(jù)與食蟹猴及人類胚胎數(shù)據(jù)比對(duì)， 發(fā)現(xiàn)三者的 細(xì)胞類型轉(zhuǎn)錄組高度相似 ，驗(yàn)證了細(xì)胞類型的生物 學(xué)相關(guān)性 。

總的來說， PGAs是首個(gè)能夠模擬人類胚胎外發(fā)育至4周階段的3D模型，填補(bǔ)了技術(shù)空白，突破了現(xiàn)有模型僅能模擬原腸胚早期（13-14天）的限制，為研究羊膜生成、卵黃囊發(fā)育及胚胎-羊膜互作提供了全新平臺(tái)。該研究還 首次明確 GATA3在羊膜生成中的核心作用 ，并揭示BMP/Wnt信號(hào)的級(jí)聯(lián)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為理解胚胎外組織發(fā)育的分子基礎(chǔ)提供關(guān)鍵證據(jù)。 在疾病建模、藥物開發(fā)和再生醫(yī)學(xué)上都具有巨大應(yīng)用潛力。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.025

制版人： 十一

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