早期胚胎發(fā)育關(guān)乎生命本源，一直是生物學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。哺乳動物胚胎在輸卵管中經(jīng)一系列卵裂和分化形成囊胚。隨后，囊胚遷移至子宮進(jìn)行著床。著床前后，胚胎中部分細(xì)胞開始移動、重排和分化，啟動原腸運(yùn)動（Gastrulation），形成內(nèi)、中、外三個胚層，為胚胎體軸建立和器官發(fā)育奠定基礎(chǔ)。早期胚胎發(fā)育和原腸運(yùn)動發(fā)生異常往往導(dǎo)致妊娠失敗和出生后器官缺陷等重大疾病。英國著名發(fā)育生物學(xué)家路易斯·沃伯特曾說：“人一生最重要的時刻不是出生、結(jié)婚和死亡,而是原腸運(yùn)動”。

受限于倫理和研究技術(shù)等，靈長類動物胚胎原腸運(yùn)動的研究非常有限。靈長類著床后胚胎發(fā)育對母體的依賴程度仍不清楚。10月31日，《科學(xué)》（Science）雜志以“Researcharticle”形式在線發(fā)表的一項(xiàng)體外重現(xiàn)非人靈長類動物胚胎原腸發(fā)生的工作，為研究靈長類動物早期胚胎發(fā)育過程建立了重要的研究基礎(chǔ)。這項(xiàng)研究是中國科學(xué)院動物研究所和中國科學(xué)院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院王紅梅課題組和李磊課題組與中國科學(xué)院昆明動物研究所鄭萍課題組共同合作的研究工作：Invitrocultureofcynomolgusmonkeyembryosbeyondearlygastrulation。該研究中，作者借助該團(tuán)隊(duì)深耕多年建立的非人靈長類動物胚胎體外培養(yǎng)系統(tǒng)，將食蟹猴囊胚體外培養(yǎng)至原腸運(yùn)動出現(xiàn)，并進(jìn)一步發(fā)育至受精后20天。該研究從形態(tài)學(xué)、標(biāo)記分子染色和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組等多個角度提供了充分的證據(jù)，證明體外發(fā)育的食蟹猴胚胎高度重現(xiàn)體內(nèi)胚胎發(fā)育，包括原腸運(yùn)動在內(nèi)的多個重要事件；第一次提供了靈長類動物早期胚胎發(fā)育過程中羊膜細(xì)胞的基因表達(dá)特征，并重新定義了多種靈長類動物早期胚胎細(xì)胞類型。

原腸運(yùn)動作為胚胎發(fā)育最重要事件之一，是一個古老而神秘的研究領(lǐng)域。早期的發(fā)育生物學(xué)家們對原腸運(yùn)動的闡述各不相同，直到上世紀(jì)五六十年代，原腸運(yùn)動才有了較為統(tǒng)一的定義，即“細(xì)胞經(jīng)有序的遷移后分化形成三個胚層”。模式動物的應(yīng)用對于人類認(rèn)識原腸運(yùn)動發(fā)揮了不可替代的重要作用。發(fā)育生物學(xué)家最初以結(jié)構(gòu)簡單的低等無脊椎動物，如海綿、水母、海膽、線蟲和果蠅等研究原腸運(yùn)動，揭示了該過程中細(xì)胞運(yùn)動、細(xì)胞極化、細(xì)胞連接和細(xì)胞間通訊等基本細(xì)胞生物學(xué)事件；繼而采用高等脊椎動物，如魚類（斑馬魚）、兩棲類（非洲爪蟾）和哺乳類（小鼠）等為模型探索原腸運(yùn)動，原腸運(yùn)動發(fā)生機(jī)制的神秘面紗被逐漸揭開。然而，上述模式動物與人類存在很大差異，即使同為哺乳動物的嚙齒類，其早期胚胎也與靈長類動物存在顯著不同，比如小鼠胚胎著床后上胚層形成杯狀結(jié)構(gòu)，而靈長類動物胚胎則形成雙層胚盤狀結(jié)構(gòu)。因此，很難將小鼠有關(guān)原腸運(yùn)動的研究結(jié)果直接推演到人類等靈長類動物。最近，科學(xué)家嘗試將人類胚胎體外培養(yǎng)至受精后14天，受到廣泛關(guān)注。本研究以與人遺傳與進(jìn)化較為接近的食蟹猴作為模式動物，避免了人類胚胎培養(yǎng)14天的倫理限制，首次證明靈長類動物胚胎可以在沒有母體支撐的情況***外發(fā)育至原腸運(yùn)動，并重現(xiàn)了靈長類動物早期胚胎發(fā)育的幾個關(guān)鍵事件。本研究對探索靈長類動物早期胚胎發(fā)育和原腸運(yùn)動開辟了嶄新研究平臺，為人類早期胚胎發(fā)育異常等重大疾病的臨床藥物研發(fā)和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供了潛在的新工具，為人類深入認(rèn)識胚胎發(fā)育機(jī)制和體外孕育生命（非人）探索提供了重要數(shù)據(jù)。

該研究由動物所、昆明動物所和中科院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院合作完成。動物所和昆明動物所聯(lián)合培養(yǎng)博士生馬懷孝（現(xiàn)為昆明動物所助理研究員）、動物所和干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院博士生翟晶磊、助理研究員萬海峰和博士后蔣祥祥為該論文的共同第一作者。王紅梅、李磊和鄭萍為該論文的共同通訊作者。這項(xiàng)工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家基金委等的支持。

圖：食蟹猴胚胎在體外培養(yǎng)至20天。(A)體外培養(yǎng)第13-14天和第19天的食蟹猴胚胎分別用細(xì)胞譜系標(biāo)記抗體OCT4（綠色）和GATA6（紅色）進(jìn)行染色。(B)培養(yǎng)20天的胚胎用蘇木精和伊紅（H&E）進(jìn)行染色。收集不同時期的胚胎進(jìn)行單細(xì)胞測序，并解析不同細(xì)胞譜系的發(fā)育軌跡。