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Cell Stem Cell | 狨猴和人类滋养层干细胞信号传导差异以及滋养层细胞侵袭的不同模式

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-11-01 08:58

正文

撰文 | 水王星

在胚胎发育早期阶段，滋养外胚层细胞（trophectoderm，TE）会发育为一系列滋养层细胞谱系，包括细胞滋养层、合胞体滋养层和绒毛外滋养层（extravillous trophoblast，EVT）。这些细胞对胚胎外组织（胎儿、胎盘和胎膜）和早期发育过程（植入、着床和妊娠内分泌支持）有重要贡献。人类滋养层干细胞（trophoblast stem cells，TSCs）是研究细胞滋养层自我更新和分化的重要工具，通过抑制(TGF)-b/NODAL 和(FGF)/ERK信号通路可以将幼稚态的多功能干细胞（pluripotent stem cells，PSCs）诱导为滋养层样细胞（TB-like cells, TLCs）。但是由于难以获得人类早期胚胎植入后的样本，这在一定程度上阻碍了对幼稚态PSCs向TSCs转化的研究。

非人类灵长类动物模型是研究胚胎植入后早期发育的重要材料，但是进化压力导致旧世界猴（原产地为亚非大陆）、新世界猴（原产地为美洲）以及人类之间滋养层和胎盘的的形成差异较大。普通狨猴（Callithrix jacchus）是一种新世界猴，其胚胎定植于子宫腔的表面，这种定植方式与类人猿（如猩猩和人类）的胚胎定植方式相比更加的浅层且侵袭性更小。针对不同灵长类物种胚胎定植方式的研究有助于解决滋养层侵袭异常的疾病，但是目前对于新世界猴的TSCs研究相对较少，

近日，来自英国剑桥大学的Thorsten E. Boroviak研究团队在Cell Stem Cell上发表题为Marmoset and human trophoblast stem cells differ in signaling requirements and recapitulate divergent modes of trophoblast invasion的研究论文，他们分析了绒猴胚胎的滋养层谱系，并分析了人类和非人类灵长类滋养层发育信号传导的差异。

为了研究狨猴滋养层附着、侵袭和早期胎盘植入的过程，研究人员分析了卡内基分期(CSs)5–7的样本，发现从CS5（6–100 mm 宽）到 CS7（6–135 mm 宽），AP2γ+滋养层的厚度和密度只有微量的增加，说明定植后滋养层只有很少量的增殖和侵袭。此外，研究人员发现狨猴的滋养层细胞表达少量多能性标记物如POU5F1、SOX2和 NANOG，并在植入后迅速下降。植入后滋养层会在植入区域产生一层非连续的AP2γ（TFAP2C）+/KRT7+细胞滋养层和合胞体，这些可以用转录因子MLLT1、 MSX2、OVOL1以及孕激素CGA和CGB3加以区分。

人类幼稚态的PSCs可以分化为不同胚胎外细胞如滋养层、下胚层和外胚层（extraembryonic mesoderm，ExMes）。人类TSC（OK）培养基的环境中WNT/EGF的激活和TGF-b/HDAC/ROCK的抑制会诱导幼稚PSCs转化为TLCs，但是体外实验显示狨猴的幼稚态PSCs在人类TSC（OK）培养基环境中会诱导成为ExMes细胞，之后进一步发现狨猴TSCs的诱导需要同时抑制WNT, NODAL以及 FGF/ERK信号通路。

人类幼稚态的PSC能够在FGF/ERK和TGF-b/NODAL抑制下分化为滋养外皮样细胞。为了测试发育早期、植入前的滋养外皮样状态是否可以稳定，研究人员在含有MEK抑制剂、两种TGF-b/NODAL抑制剂和丙戊酸（VPA），简称为PAVS培养基中培养了狨猴幼稚的PSC。研究结果表明，PAVS能够诱导并稳定滋养样状态的形成。

在小鼠中，CDX2通过抑制多能性因子如Pou5f1（OCT4）诱导滋养层细胞进入。为了探究狨猴滋养层细胞转录对多能性的影响，研究人员构建了DOX诱导的CDX2过表达的PSCs细胞，结果发现PSCs中CDX2过表达促进滋养层细胞的形成，即使在自我更新的幼稚态PSCs培养环境中也能达到相同的效果，并导致Pou5f1（OCT4）的降低。针对狨猴的滋养层细胞分析鉴定到一些全能性因子如Pou5f1（OCT4），而在小鼠滋养层细胞中Pou5f1 (OCT4) 会迅速下降。为此，研究人员继续探究Pou5f1（OCT4）在狨猴滋养层细胞分化过程中的作用，体外实验证明Pou5f1（OCT4）不会对狨猴TLCs的分化产生抑制作用。

之后研究人员使用已建立的微流控模型将狨猴和人的TSCs 包装进单个分散的琼脂糖微凝胶，并探究其侵袭的情况，结果发现绒猴的TSCs只会在表面进行附着，进而形成初级合胞体，并能够分化EVT。

为了测试狨猴periTSC 培养方法能否诱导人类的滋养层细胞的形成，研究人员将人类幼稚态的PSCs细胞置于PAVS环境中培养，结果发现PAVS环境可以促进早期传代阶段人类幼稚态的PSCs细胞发育为滋养层养细胞，但是在第三代至第五代的阶段后，细胞逐步分化为EVT细胞。进一步研究表明，WNT的刺激能够抑制人类自发的EVT分化。

总的来说，本研究详细阐明并比较了狨猴和人类TSCs发育的差异，将为阐明灵长类动物胎盘形成、侵袭深度调节机制和人类胎盘发育病理生理变化提供参考。