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我国科学家打开人类胚胎着床“黑匣子”

发布时间:2020-11-21

  论文纪念海报。寓意:玉帛(Jade and Silk),引自化干戈为玉帛。古时常借用玉帛与人重修于好,比喻使战争转变为和平与友好。胚胎(美玉)经历多重困难,终于释放出信号和母亲组织(丝绸)首次交流,正式开启母子互动的美好共处阶段。

图文:宋元元 周帆

  有人说,世界上最精妙和激动人心的事情莫过于生命的诞生。

  但并非所有人都有机会体验这种美好,不少人被不孕症困扰,胚胎着床失败就是不孕的重要病因之一。精子和卵子相遇后的第七天,胚胎开始逐渐埋入母亲的子宫组织,逐渐完成“胚胎着床”这一关键的发育过程。然而此前,着床的过程就像“黑匣子”,没有人知道其中到底发生了什么,包括着床失败在内等问题自然也无法解释。前不久,中国的科学家打开了这个“黑匣子”。

  来自北京大学汤富酬与北医三院乔杰联合团队的研究成果首次解析了人类胚胎着床的过程,绘制了一份解锁“黑匣子”的“导航图”。8月21日,国际顶级学术期刊《自然》杂志在线发表了该课题组名为《利用单细胞转录组和DNA甲基化组图谱重构人类胚胎着床过程》的论文,引发国内外学者的高度关注。

  该论文的第一作者是汤富酬课题组的周帆,今年33岁,这是他继2016年首次解析“造血干细胞起源”之后再度问鼎《自然》杂志。 “这次我们打开了人类胚胎着床过程的’黑匣子’,仔细查看了这一过程中的关键发育事件。”与3年前第一次在《自然》发表论文相比,他显得从容淡定了许多。面对记者采访,周帆坦诚地将自己近些年做科研总结的功夫秘籍和盘托出。

  绘制洞悉“黑匣子”的“导航图”

  一个漂浮状态的受精卵发育7天左右,就会长成足球状的空心小球(囊胚),而人类胚胎着床的奥秘之所以一直没有被揭开,是因为这一阶段的人类胚胎几乎不可能获得。在实验室培养人类胚胎技术成熟后,周帆看到了解锁胚胎着床“黑匣子”的希望。国外科学家发现,人类胚胎在实验室培养7天后,依旧可以继续模拟发育一周左右,这多出来的一周,帮助科研人员打开了一个研究胚胎着床的时间窗口。

  周帆所在团队对人工授精后的受精卵进行了人类胚胎体外模拟着床生长,在此基础上,他们真正想要解析的,是胚胎中数万个细胞在植入妈妈子宫的过程中到底是以何种机制发育,才使一个个细胞神奇地变成了胎儿的心脏、肝脏和皮肤,等等。

  在导师汤富酬教授的指导下,经过一年半密集的实验,周帆和同事们一起在单细胞水平解析了数以万计胚胎细胞的发育过程。“每颗细胞都有数万个分子表达维度,我们结合多个分子表达维度对胚胎着床过程中的分子表达规律进行了深度分析”。

  周帆介绍,利用高精度单细胞多组学测序技术,通过实验和分析,他所在团队绘制出一张揭示人类胚胎着床过程的“导航图”,并总结出多个重要结论。

  比如,他们揭示了单颗胚胎细胞在这一特殊发育阶段的分子表达和潜在调控机制,“也就是细胞命运决定”的潜在规则,例如一颗细胞是如何决定发育成胚胎各类器官还是母胎联结的胎盘。

  再如,他们发现,虽然是实验室模拟发育,胚胎在发育7天之后依旧会发出“申请”信号,希望和母体产生联结。

  又如,他们解析了雌、雄胚胎性染色体平衡的“细节”。周帆解释,男性的性染色体由XY组成,女性的性染色体由XX组成,Y染色体几乎不携带遗传物质,而X染色体携带一千多个基因。为了达到男、女之间的物种平衡,在胚胎着床前夕,女性的XX染色体中有一条会呈现“失活”的倾向,也就是这条染色体上的基因倾向于不表达。“曾有科学家认为,为了使男女差异减小,女性的两条X染色体各‘失活’一半,但我们的研究结果证明,是随机‘失活’一整条” 。

  “有了这张精妙的导航图,科学家们可以按图索骥,进一步深度挖掘人类胚胎着床的奥秘。比如启发生殖医学,为有试管婴儿需求的家庭带来福音。”周帆说。

  十二字“内功心法”

  这次并非是周帆第一次挑战“前无古人”的研究。2013年,在军事医学科学院附属307医院刘兵课题组攻读博士的他就开启了一个高难度课题——单细胞尺度追踪造血干细胞起源。2016年,相关成果在《自然》杂志发表,轰动全球。此后,在导师的指导下,他逐渐总结出了自己做科研的格言——跟随内心、用尽全力、顺其自然,这12个字如“内功心法”般,又助他制造了如今的第二次轰动。

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