由于伦理和法律的限制，对人类胚胎植入后阶段的研究受到限制，因此，研究者们致力于开发使用人多能干细胞的体外自组织模型来模拟人类胚胎的发育过程。
研究简介
本研究详细介绍了如何通过遗传和非遗传的方法从原始的hPSCs中生成原始的下胚层细胞（naive hPSC-derived hypoblast-like cells，简称nHyCs），这些细胞对于胚胎发育至关重要。发现，nHyCs能够自发地与原始hPSCs组装，形成具有原始羊膜腔的三维双层结构（bilaminoids）。当加入额外的原始hPSC衍生的第二外胚层组织——滋养外胚层（trophoectoderm）的类似物时，bilaminoid的形成效率从20%提高到40%，且其中的上胚层在滋养外胚层分泌的IL-6的作用下继续发育。此外，研究还表明，bilaminoids能够强健地重现前后轴的模式形成和反映原肠胚阶段的细胞形成，这一过程可以通过遗传操作DKK1/OTX2下胚层样域来塑造。
研究中，通过比较原始和 primed hPSCs分化为下胚层的潜力，发现GATA6、GATA4和SOX17在小鼠下胚层中表达，并且它们的过表达能够诱导胚胎干细胞（ES细胞）向下游分化。在人类中，GATA6的过表达诱导了内源性下胚层基因GATA6、GATA4、SOX17和PDGFRA的表达。通过流式细胞分析确认，在GATA6过表达后，原始和primed hPSCs衍生的细胞中PDGFRA的表达。此外，研究还开发并优化了一个无血清诱导系统，使用N2B27化学定义的培养基作为基础培养基，以进一步表征从原始hPSCs中分化出的下胚层。
研究结果表明，通过GATA6过表达或化学诱导的nHyCs与小鼠ES细胞中诱导的下胚层在转录组水平上高度相关，这表明nHyCs在基因表达上与人类囊胚阶段的下胚层非常相似。此外，研究还发现，FGF4和BMP4的补充，以及WNT和Activin A信号通路的抑制，对于人类下胚层的诱导至关重要，这与小鼠中的情况不同。
尽管人类和鼠类的转录因子层级和功能似乎在物种间是保守的，但信号通路在人类和狨猴之间可能是共同的，与小鼠则有所不同。此外，研究还发现，与滋养外胚层共培养的bilaminoids表现出更大的增殖和腔体形成效率，这表明滋养外胚层分泌的因子，如IL-6，通过激活上胚层中的STAT3信号通路来支持上胚层的增殖和原羊膜腔的形成。
探讨了在bilaminoids中形成的前后轴，发现CER1-H2B-GFP（一种前体化因子）在nHyCs的某些部分表达，而T+细胞则远离它们在nEpiCs中定位。通过遗传操作，研究者们发现nHyCs中的一个亚群通过分泌前体化因子来指导前后轴的形成，限制原肠胚到后上胚层。
最后，观察到在bilaminoids中出现了表达原始条纹相关基因的细胞，这表明nHyCs在调节nEpiCs中原肠胚相关基因的表达中起着关键作用。通过单细胞转录组测序（scRNA-seq）分析，研究者们确认了bilaminoids中存在多种细胞类型，包括下胚层、上胚层、原始条纹、中胚层和羊膜细胞，这些细胞类型在第6天都能被可靠地检测到。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06871-2
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