人类与狨猴滋养层干细胞的信号需求差异

背景与研究动机

胚胎着床及胎盘形成是胎盘类哺乳动物（Eutherian）发育的关键特征。滋养层（trophoblast）是胚胎外层细胞群，起到介导胚胎与母体组织连接的作用。滋养层细胞来自于前胚植阶段的滋养外胚层（trophectoderm），并在胚胎着床时发生原始细胞融合以形成侵入性细胞，进而穿透子宫上皮形成三大细胞谱系：细胞滋养层（cytotrophoblast）、合胞滋养层（syncytiotrophoblast）和外绒毛滋养层（extravillous trophoblast）。在人类早期发育中，合胞滋养层会分泌人绒毛膜促性腺激素来维持妊娠，而外绒毛滋养层深层侵入子宫，促进血管重塑及免疫调节。

然而，由于伦理和技术限制，人类早期胚胎的样本获取困难，滋养层细胞发育的分子机制尚不清楚。非人灵长类模型，如狨猴（Callithrix jacchus），在发育过程中具有与人类相似的特征，但滋养层侵入方式有所不同。狨猴的胚胎在子宫中央腔的表面着床，相比人类较为浅层。此类新世界猴（New World monkeys）的滋养层发育研究或能为理解人类滋养层发育及其异常带来启示。本文由Dylan Siriwardena等科学家完成，发表于《Cell Stem Cell》期刊。

研究流程

本研究重点追踪了狨猴早期胚胎植入至后植入阶段的滋养层细胞发育过程，探讨不同条件下的信号需求，并在体外培养了狨猴滋养层干细胞（TSCs），从而揭示人类与狨猴滋养层细胞侵入模式的分化。

实验方法

1. 狨猴滋养层发育的活体研究：

   • 研究团队利用时空胚胎分析技术对卡内基发育阶段（CS）5至7的狨猴胚胎样本进行了滋养层附着、侵入及胎盘形成的进一步分析。
   • 通过免疫荧光标记，他们发现CS5时，邻近内细胞群的极性滋养外胚层（polar trophectoderm）附着于子宫内膜，并开始分解子宫上皮。CS6时，滋养层细胞在对侧的子宫壁建立了次要着床点，形成了一层主要由细胞滋养层和合胞滋养层组成的细胞层。

2. 体外培养狨猴滋养层干细胞：

   • 研究团队将狨猴多能干细胞（PSCs）分化为滋养层干细胞，并探讨不同信号需求。
   • 他们发现人类TSC培养条件在狨猴细胞中无法支持TSC的形成，反而导致这些细胞朝向胎外中胚层（extraembryonic mesoderm）分化。
   • 通过联合抑制MEK、TGF-β/Nodal和HDAC（组蛋白去乙酰化酶）等信号，稳定了狨猴滋养层的“后植入”特性，而这一条件下的人类TSCs则偏向分化为外绒毛滋养层。

3. 信号通路需求的比较：

   • 研究发现，Wnt信号在抑制人类TSCs分化为侵入性外绒毛滋养层方面起关键作用，而狨猴的滋养层细胞则不依赖Wnt信号。
   • 通过转录组分析，狨猴滋养层在植入后表现出独特的Wnt信号特征，与人类的差异表明不同的进化适应。

数据分析与技术亮点

研究团队利用单细胞RNA测序、甲基化组学等高通量技术，对分化样本进行了空间身份映射。尤其是通过均匀流形近似和投影（UMAP）等降维分析，他们揭示了狨猴滋养层在早期植入后分化路径上的独特性。狨猴TSCs能在体外形成多核结构，展现了向合胞滋养层的分化潜力，且在低密度条件下更易形成此结构。此外，狨猴的滋养层干细胞具备在“人-狨猴嵌合胚胎”模型中的植入能力，进一步证实了该模型的跨物种适用性。

主要发现与结论

1. 滋养层发育的物种差异：

   • 狨猴滋养层在早期植入后显示出浅层侵入性，这与人类深层侵入模式不同。研究认为这是因物种间的进化差异所致。
   • 狨猴滋养层细胞在体外培养中展现出强大的分化潜力，可形成主要的滋养层细胞谱系，但不同信号需求体现了进化适应的特性。

2. Wnt信号在不同物种滋养层发育中的作用：

   • 在狨猴TSCs中，Wnt信号未见显著作用，但在人类TSCs中，Wnt激活抑制了外绒毛滋养层的自发分化。这种需求上的差异可能是人类独特的侵入模式调控的结果。

3. TSC模型的建立与跨物种应用：

   • 本研究建立了狨猴TSCs的体外培养模型，揭示其在保持滋养层干细胞特性和向多核合胞滋养层分化方面的显著潜力。该模型在探究早期胚胎-子宫界面相互作用和深入理解胎盘相关疾病（如胎盘植入异常和妊娠高血压综合征）方面具有广泛应用潜力。

科学价值与应用意义

该研究通过系统对比人类与狨猴TSCs的信号需求及侵入特性，为理解灵长类滋养层发育中的进化差异提供了全新视角。这不仅有助于探索早期胚胎植入过程中的分子机制，还可能为治疗胎盘相关疾病提供理论依据。通过狨猴模型，研究者能更好地研究滋养层在子宫环境中的动态行为，为人类胎盘发育及相关病理提供新的研究思路和实验平台。