人类胚胎在植入子宫后经历形态发生转变，但是由于无法对子宫内胚胎进行观测而受到限制。干细胞衍生的胚胎模型是对这些阶段胚胎发育以及组织间相互作用进行研究的重要工具。
2023年6月27日，英国剑桥大学Magdalena Zernicka-Goetz研究组在Nature发文题为A model of the post-implantation human embryo derived from pluripotent stem cells，通过胚胎干细胞中转录因子过表达从而产生人类植入后胚胎发育模型人类拟胚体（Embryoid），为人类发育关键的“黑匣子”时间窗提供了研究平台。
在受精后最初的两周之内大约有60%的怀孕会经历失败，因此对胚胎发育的研究将有助于为妊娠失败提供解决方法。作者们首先计划寻找人类胚胎干细胞中调节胚胎外基因程序的表达上升的因子，为此通过整合人类胚胎培养的单细胞RNA测序数据以及使用计算工具SCENIC对富集于外胚层、滋养层或下胚层的转录因子的活性进行预测。与预期相一致的是，作者们发现SOX2、NANOG和POU5F1 (OCT4)在外胚层具有很高的活性。转录因子GATA2、 GATA3、GATA4、GATA6、SOX17、FOXA2、NR2F2以及TFAP2C 具有丰富的活性。先前的研究表明，GATA6或SOX17的过表达可以驱动内胚层基因程序，而GATA3和TFAP2C则会驱动干细胞分化形成滋养层细胞。因此，作者们引入多西环素诱导单个或者组合转录因子过表达（图1），从而发现能够分别形成内胚层以及滋养层类似细胞。
图1 过表达诱导系统
通过多西环素过表达GATA6-SOX17、GATA3-TFAP2C以及野生型人类胚胎干细胞可以得到三种不同胚胎胚层的细胞，这些细胞可以在Aggrewell中使用N2B27培养基中进行共培养（图2）。作者们在24小时、48小时对胚胎模型在明场下进行观察。48小时培养基换成人类胚胎着床后培养基hIVC1。人类拟胚体的诱导效率大约是23%。通过对不同谱系的标记物进行检测，证实了N-Cadherin、SOX17以及GATA4等因子的表达，证实了胚胎类似结构在培养基中成功地自组装。
图2 人类着床后胚胎发育模型
为了对人类拟胚体基因表达以及染色质可及性对自然人类胚胎的模拟程度进行检测，作者们对第4天、第6天以及第8天的拟胚体进行单细胞RNA-seq、ATAC-seq。这些结果证实人类拟胚体模型能够模拟胚胎着床后细胞谱系发育特征。
羊膜、原始生殖细胞和胚胎外间充质细胞响应BMP信号通路进行分化。为了对人类拟胚体模型中检测是否具有相似的响应，作者们对下游BMP应答基因的表达，发现BMP信号通路的多个因子是活跃存在的。另外，作者们对SMAD转录因子基序可及性进行分析，发现SMAD5基序的可及性较高，而SMAD2::SMAD3::SMAD4基序可及性则较低，说明BMP信号通路介导外胚层的分化。最后，作者们发现延长SOX17过表达会抑制前端内胚层的发育，显示拟胚体在模拟胚胎与胚胎外组织相互作用的重要价值。
总的来说，作者们通过多谱系干细胞衍生的模型进行组装得到了人类着床后胚胎拟胚体，反映了胚胎外组织以及胚胎类似组织之间发育过程中的相互作用。这一诱导模型可以反映胚胎发育过程中对BMP信号通路的响应。这一拟胚体为揭开胚胎植入子宫后的胚胎发育提供研究工具。
值得一提的是，在同期，耶鲁大学Berna Sozen团队发表了背靠背文章Self-patterning of human stem cells into post-implantation lineages，利用人多能干细胞自组装的3D结构胚胎模型绘制了CS4至CS7期间胚胎发育的关键特征。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06368-y
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06354-4
