客户文章《Cell Stem Cell》丨单细胞测序助力早期胚胎DNA甲基化图谱及早期原肠胚发育过程研究
文章题目：Modeling early gastrulation in human blastoids with DNA methylation patterns of natural blastocysts
发表期刊：Cell Stem Cell
影响因子：23.9
发表时间：2025年1月14日
发表单位：广医三院范勇团队联合昆明理工大学谭韬团队，北医三院李蓉和于洋团队
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研究概述
探索naïve pluripotent stem cells（naïve PSCs）的潜力，如5iLA和PXGL，我们能够高效地培育出形态和细胞谱系特征与正常囊胚相似的类囊胚（blastoids），这些类囊胚在研究中展现出了巨大的应用前景。尽管如此，类囊胚是否能够精确模拟早期胚胎发育中的表观遗传学调控，尤其是对DNA甲基化和印记基因特征这些关键因素的模拟能力，仍然是一个未解之谜。这不仅关系到我们对早期胚胎发育机制的理解，也直接影响到类囊胚在体外进一步发育的可能性。
针对上述问题，本研究️利用4CL 培养系统建立naive hPCSs，并以此为起始细胞优化建立了4CL-blastoids。为了研究4CL类囊胚的细胞谱系，本研究收集了高质量的第6天4CL类囊胚，️使用10x Genomics Chromium平台进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）。利用来自人类囊胚的scRNA-seq数据集进行整合分析，结果显示类囊胚细胞与囊胚细胞高度吻合（如下图），表明它们具有相似的基因表达谱。此外通过形态学上的检查，最终确认4CL-blastoids在形态学和转录组水平上与正常人类囊胚高度相似。
图：4CL类囊胚单细胞数据分析
整合的人类囊胚30（中）和4CL胚状体（右）的scRNA-seq数据集的UMAP聚类。整合数据集的合并UMAP显示在左侧。
更重要的是，该研究️首次分析了不同naive细胞及其建立的blastoids中表现的DNA甲基化和基因印记模式，并与人类正常囊胚的数据进行了对比。最新研究发现，4CL naive hPCSs的DNA甲基化水平与正常人类ICM惊人相似，所生成的4CL-blastoids细胞谱系在DNA甲基化模式和基因印记方面与人类正常囊胚高度吻合。相比之下，5iLA naive hPCSs和PXGL naive hPCSs及其衍生的blastoids则表现出全基因组范围的显著低甲基化现象，与正常囊胚存在明显差异。这一发现揭示了起始细胞DNA甲基化状态对blastoids生成过程中细胞谱系甲基化模式的深远影响。值得注意的是，4CL blastoids成功保留了印记控制区域（ICRs）以及母源/父源印记基因的甲基化模式和表达，而5iLA blastoids和PXGL blastoids则出现了不同程度的印记丢失现象。
图：Blastoids的DNA甲基化图谱
(A) 在naive hPSCs和blastoids中评估DNA甲基化的示意图。(B) 小提琴图显示了通过WGBS数据分析的4CL、5iLA和PXGL naive hPSCs的平均DNA甲基化水平，以及通过RRBS数据分析的blastoids的ICM和TE-LCs与胚泡期(ICM和TE)的比较。
为了研究类胚囊中的细胞谱系及其分化轨迹，在4CL-blastoids在体外3D培养至第14天，使用10x Genomics Chromium平台对3D培养的4CL类胚囊进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析。在4CL类胚囊的第14天，我们惊喜地发现了一群特殊的HAB-LCs细胞。这些细胞不仅表达内皮基因PECAM1、胚外中胚层基因ANXA1和HAND1，还携带造血前体标志基因CD34、HHEX和RUNX1。基因表达分析揭示，它们与猴胚胎中的HAB惊人相似，并具备分化为红系和髓系祖细胞的潜力。免疫荧光分析进一步揭示，RUNX1和CD31共表达的细胞聚集在卵黄囊样细胞附近，暗示这些细胞正处于早期造血分化的关键阶段。基因富集分析也显示，这些细胞高表达的基因与胚胎造血和内皮发育紧密相关。尽管HAB-LCs数量有限，但4CL类胚囊无疑为研究早期造血和血管生成提供了一个宝贵的模型。
图：4CL-blastoid在3D悬浮系统中发育至早期原肠胚的模式图
综上，️4CL-blastoids作为一种人类胚胎发育的体外模型，为研究人类早期胚胎发育的关键结构和细胞谱系的生成提供了重要的工具模型。从囊胚形成到早期原肠胚的发育，这一模型不仅展示了连续性的发育事件，还在表观遗传学领域开辟了新的研究视角。随着类胚胎技术的不断优化和新模型的开发，有望更深入地揭示人类胚胎发育的奥秘，重塑早期器官发育的过程和细胞谱系的分化轨迹，为生殖医学和遗传疾病研究提供新的思路。
️再次恭喜广医三院范勇团队、昆明理工大学谭韬团队和北医三院李蓉及于洋团队！
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