撰文 | 十一月

責編 | 酶美

胚胎著床後發育包括許多複雜的過程，是幹細胞及其後代自組織形成胚胎軀體的結果。最近開發的幹細胞類器官模型為在體外解構這些過程的動力學提供了強大的平臺

【1-2】

。目前關於此類研究的最先進的模型是類原腸胚（Gastruloid），類原腸胚是

胚胎幹細胞

組成的聚集體（Aggregates），能夠形成伸長的結構並具有三個不同的胚層，但是目前的研究所建立的類原腸胚模型缺乏形態發生過程。

為了解決這一問題，德國

馬克斯·普朗克

分子遺傳學研究所

Bernhard G. Herrmann

研究組、

Alexander Meissner

研究組以及

Jesse V. Veenvliet

合作在

Science

發文題為

Mouse embryonic stem cells self-organize into trunk-like structures with neural tube and somites

，

建立了在體外能夠自組裝形成軀幹樣結構，並具有神經管和體節的新型胚胎幹細胞類器官模型。

想要解決現有類原腸胚模型形態發生方面的缺陷，首先需要了解體內形態發生過程中起到關鍵作用的因子。在體內，

細胞外基質

（Extracellular matrix，ECM） 透過

基底膜

提供化學訊號和施加機械約束，在組織形態建成中起關鍵作用。在體外，Matrigel可作為ECM替代物。將類原腸胚包埋在10%的Matrigel中，可形成一系列前具有後極性的

體狀結構

【3】

。較低濃度的Matrigel有利於類器官中複雜的形態發生

【4】

。

為了獲得具有更高階的

胚胎樣結構

的形態發生過程，作者們使用了不同的Matrigel的濃度進行測試。另外，為了進行高通量的檢測和定量鑑定，作者們建立了中胚層和神經譜系的報告系統。將96h的聚集體包埋在5%的Matrigel中會使得出現中胚層結構分節並且出現神經管類似的結構。絕大多數的類原腸胚出現結構伸長，作者們將該結構稱為

軀幹結構

（Trunk-like structures，

TLSs

），而且在一半左右的TLSs結構中出現了明顯的分節現象

（圖1）

。另外，透過加入WNT的啟用劑或者是BMP的抑制劑會進一步地最佳化相鄰體節的分節，但並不影響中胚層極性的形成以及伸長，而且會在前端形成連續的“葡萄串”狀的分節結構。

總的來說，包埋在Matrigel中是驅動類原腸胚中複雜的、胚胎樣結構的三胚層結構形成的充分且必要條件。

圖1 工作模型

為了進一步確認TLSs結構在分子生物學水平的細節特徵，作者們對TLS模型進行了RNA-seq的檢測，從分子水平確認了TLS能夠準確地模擬胚後發育。透過單細胞的RNA-seq作者們進一步證明了TLS模型在細胞分化的時空過程中對胚胎類似動態發育過程的重要模擬作用。另外，為了進一步檢測和確認TLSs的可用性，作者們透過基因敲除的實驗希望能重現胚胎突變體的表型。在體內

Tbx6

基因敲除能夠造成中胚層細胞的轉分化以及隨後形成異常的神經管結構

【5-6】

。由

Tbx6

敲除的

小鼠胚胎單細胞

誘導產生的TLSs結構中可以產生類似的異常體節，並且神經標記物出現明顯的上調。因此

Tbx6-/-

的TLS可以很好地概括分子水平

Tbx6

敲除的表型。

總的來說，該工作中所建立的TLSs提供了可擴充套件的、易於建立的模型，可以在高時空解析度的情況下對細胞譜系命運決定以及形態發生過程中進行研究。TLS類原腸胚可以真實地重現包括體軸伸長、體節形成等胚後發育過程。另外，TLSs的單細胞表達譜也為進一步探索細胞和細胞基質相互作用及其對胚胎結構的控制提供了初步指導。

原文連結：

https://doi.org/10.1126/science.aba4937

製版人：十一

參考文獻

1。 Shahbazi， M。 N。 & Zernicka-Goetz， M。 Deconstructing and reconstructing the mouse and human early embryo。

Nature cell biology

20， 878-887， doi：10。1038/s41556-018-0144-x （2018）。

2。Shahbazi， M。 N。， Siggia， E。 D。 & Zernicka-Goetz， M。 Self-organization of stem cells into embryos： A window on early mammalian development。

Science

（New York， N。Y。） 364， 948-951， doi：10。1126/science。aax0164 （2019）。

3。van den Brink， S。 C。 et al。 Single-cell and spatial transcriptomics reveal somitogenesis in gastruloids。

Nature

582， 405-409， doi：10。1038/s41586-020-2024-3 （2020）。

4。Brassard， J。 A。 & Lutolf， M。 P。 Engineering Stem Cell Self-organization to Build Better Organoids。

Cell stem cell

24， 860-876， doi：10。1016/j。stem。2019。05。005 （2019）。

5。Chapman， D。 L。 & Papaioannou， V。 E。 Three neural tubes in mouse embryos with mutations in the T-box gene Tbx6。

Nature

391， 695-697， doi：10。1038/35624 （1998）。

6。 Concepcion， D。 et al。 Cell lineage of timed cohorts of Tbx6-expressing cells in wild-type and Tbx6 mutant embryos。

Biology open

6， 1065-1073， doi：10。1242/bio。026203 （2017）。