1月14日，广医三院范勇团队牵头联合昆明理工大学谭韬团队、北医三院李蓉和于洋团队，在Cell Stem Cell 在线发表了题为“Modeling early gastrulation in human blastoids with DNA methylation patterns of natural blastocysts” 的最新研究成果。
该研究利用4CL体系建立naive态的人多能干细胞，再通过多种小分子组合，构建了在形态、转录特征、DNA甲基化水平，以及基因印记模式均与体内自然囊胚高度相似的4CL类囊胚（4CL-blastoids）模型。 同时，4CL-blastoids能够模拟自然囊胚进行着床后发育，体外发育出现早期原肠阶段的形态学特征和谱系特化，并起始早期造血发生。该模型囊括了囊胚形成、植入和早期原肠胚形成等发育阶段，为人类早期胚胎发育提供宝贵见解。
利用5iLA或PXGL等多种 naive多能干细胞（naïve pluripotent stem cell，naïve PSCs），可以高效获得与正常囊胚形态结构类似的类囊胚 (blastoids)，并具有正常囊胚类似的细胞谱系特征，展现出了巨大的运用价值。然而，目前对于类囊胚是否可以模拟早期胚胎发育的表观遗传学调控过程，特别是对于早期胚胎发育至关重要的DNA甲基化及印记基因达特征，尚不清晰，这是否会影响类囊胚体外的进一步发育，也不明确。
针对上述问题，研究团队利用4CL 培养系统建立naive hPCSs，并以此为起始细胞优化建立了4CL-blastoids。获得的4CL-blastoids在形态学和转录组水平上与正常人类囊胚高度相似。更重要的是，该研究首次分析了不同naive细胞及其建立的blastoids中表现的DNA甲基化和基因印记模式，并与人类正常囊胚的数据进行了对比。结果显示，4CL naive hPCSs甲基化水平与正常人类ICM的甲基化水平相似，生成的4CL-blastoids细胞谱系在DNA甲基化模式和基因印记上与人类正常囊胚高度一致。然而5iLA naive hPCSs和PXGL naive hPCSs，及其各自衍生的blastoids表现出全基因组范围的超低低甲基化，与人类正常囊胚差异明显。这些表明起始细胞的DNA甲基化状态对blastoids生成过程中各细胞谱系的甲基化模式具有持续性影响。此外，4CL blastoids保留了印记控制区域（imprinting control regions，ICRs）及母源/父源印记基因的甲基化模式和表达，而5iLA blastoids和PXGL blastoids中展现出不同程度的印记丢失。
图1. Blastoids的DNA甲基化图谱 (A) 在naive hPSCs和blastoids中评估DNA甲基化的示意图。(B) 小提琴图显示了通过WGBS数据分析的4CL、5iLA和PXGL naive hPSCs的平均DNA甲基化水平，以及通过RRBS数据分析的blastoids的ICM和TE-LCs与胚泡期(ICM和TE)的比较。
研究进一步发现4CL-blastoids展现了巨大的植入后发育潜力，能够在体外3D悬浮培养系统中发育至第14天，模拟从胚泡形成到早期原肠胚形成的关键过程。这一模型不仅连接了着床前与着床后阶段，还展现了人类胚胎发育中一系列重要事件：滋养层细胞的分化与增殖，三胚层，原条，羊膜腔和卵黄囊的形成，前后轴的建立，中胚层谱系的发育，以及原始生殖细胞和生血成血管细胞的出现。在早期人类胚胎中，造血系统最初在卵黄囊中发育，由一类具有造血和内皮潜能的中胚层前体细胞——生血成血管细胞（hemogenic angioblast，HAB）——分化而来。在第14天的4CL类胚囊中，我们鉴定出一群HAB-LCs，这些细胞表达内皮基因（如PECAM1）、胚外中胚层基因（如ANXA1和HAND1）以及造血前体标志基因（如CD34、HHEX和RUNX1）。通过基因表达分析，这些细胞与猴胚胎中的HAB高度相似，并显示出向红系和髓系祖细胞分化的潜能。免疫荧光分析进一步确认了RUNX1和CD31共表达的细胞聚集在卵黄囊样细胞附近，提示这些细胞可能处于早期造血分化阶段。基因富集分析表明，这些细胞的高表达基因与胚胎造血和内皮发育密切相关。尽管HAB-LCs的数量有限，4CL类胚囊仍为研究早期造血和血管生成提供了一个重要的模型。
图2. 4CL-blastoid在3D悬浮系统中发育至早期原肠胚的模式图
综上，4CL-blastoids作为一种人类胚胎发育的体外模型，为研究人类早期胚胎发育的关键结构和细胞谱系的生成提供了重要的工具模型。从囊胚形成到早期原肠胚的发育，这一模型不仅展示了连续性的发育事件，还在表观遗传学领域开辟了新的研究视角。随着类胚胎技术的不断优化和新模型的开发，有望更深入地揭示人类胚胎发育的奥秘，重塑早期器官发育的过程和细胞谱系的分化轨迹，为生殖医学和遗传疾病研究提供新的思路。
