Cell：揭示人类胚胎克隆不均衡的奥秘：二细胞阶段已然不对称

引言

人类胚胎的早期发育过程是一个高度复杂且精确调控的过程。受精卵经过一系列细胞分裂和分化，最终形成具有不同命运的细胞群体。这些细胞群体包括内细胞团(inner cell mass, ICM)和滋养外胚层(trophectoderm, TE)，前者将发育成为胎儿本身，后者则主要形成胎盘等附属结构。尽管以往的研究主要集中在小鼠模型上，然而人类胚胎的早期发育存在着显著的物种差异。5月13日 Cell上报道的研究“The first two blastomeres contribute unequally to the human embryo”，基于基因组测序和单核苷酸多态性分析的回顾性谱系重建研究表明，人类体内存在显著的克隆不均衡现象，其起源可追溯到胚胎的2细胞阶段。

该研究通过前瞻性谱系追踪技术(lineage tracing)和实时活细胞成像(live imaging)，结合非侵入性细胞标记(non-invasive cell labeling)和计算预测，探究人类胚胎2细胞阶段的两个卵裂球(blastomeres)在内细胞团、胚外体(外胚层)及滋养外胚层中的具体贡献。

通过对人类胚胎从2细胞阶段到囊胚(blastocyst)阶段的谱系追踪，发现大多数内细胞团细胞主要来源于其中一个2细胞阶段的原基细胞。在8细胞阶段转变为16细胞阶段的过程中，内化的细胞数量极少，并且这些内化的细胞更频繁地来源于最早分裂的2细胞原基细胞。早期不对称细胞分裂是一个控制胚胎克隆组成的重要瓶颈。通过计算模型预测，这种不均衡的克隆贡献在内细胞团中的比例可以达到60%以上，并且这种不均衡性在后续的胚胎发育中得以保留和扩大。

该研究揭示了人类胚胎在早期发育过程中存在显著的克隆不均衡现象，并确定了这种不均衡性的具体形成机制。通过前瞻性谱系追踪和计算模型，本研究首次提供了证据表明，早期的细胞内化过程和不对称细胞分裂对胚胎克隆组成具有重要影响。这一发现不仅为理解人类胚胎早期发育的基本机制提供了新的视角，也为辅助生殖技术和胚胎工程领域的应用研究提供了重要参考。未来，进一步研究这些早期发育过程中的调控机制，将有助于提高人类生殖健康和疾病治疗的精准性和有效性。

在胚胎发育的早期阶段，受精卵(zgote)首先分裂形成2个原基细胞(blastomeres)，然后再进一步分裂形成4个、8个、16个细胞，最终形成囊胚(blastocyst)。囊胚由两部分组成：内细胞团(inner cell mass, ICM)和滋养外胚层(trophectoderm, TE)。内细胞团将发育成胎儿，而滋养外胚层则形成胎盘等支持结构。以往的研究表明，尽管小鼠模型中的研究提供了大量的发育机制信息，但人类胚胎的早期发育存在显著的物种差异。因此，揭示人类胚胎的早期发育过程，特别是2细胞阶段的细胞行为，对于理解人类生命起源至关重要。

该研究主要关注以下几个科学问题：

2细胞阶段的两个原基细胞在内细胞团和滋养外胚层中的贡献是否存在不均衡性？

这种不均衡性的形成是否与早期的不对称细胞分裂有关？

早期的细胞内化过程是否控制了胚胎的克隆组成？

为了回答上述科学问题，研究团队采用了前瞻性谱系追踪技术(lineage tracing)和实时活细胞成像(live imaging)，结合非侵入性细胞标记(non-invasive cell labeling)和计算预测，来观察和分析人类胚胎从2细胞阶段到囊胚阶段的发育过程。

主要研究发现

内细胞团的来源不均衡：通过对人类胚胎从2细胞阶段到囊胚阶段的谱系追踪，研究发现，大多数内细胞团细胞主要来源于其中一个2细胞阶段的原基细胞。这表明，在胚胎发育的早期阶段，细胞的命运已经开始表现出显著的不均衡性。

早期不对称细胞分裂的关键作用：在8细胞阶段转变为16细胞阶段的过程中，细胞内化的数量极少，并且这些内化的细胞更频繁地来源于最早分裂的2细胞原基细胞。这意味着，最早分裂的细胞更有可能通过不对称分裂形成内细胞团的创始细胞。

细胞内化过程的瓶颈效应：早期不对称细胞分裂是一个控制胚胎克隆组成的重要瓶颈(bottleneck)。通过计算模型预测，这种不均衡的克隆贡献在内细胞团中的比例可以达到60%以上，并且这种不均衡性在后续的胚胎发育中得以保留和扩大。

细胞分裂与命运决定

在受精后的第一个细胞分裂中，受精卵分裂形成两个几乎相同的2细胞原基细胞。理论上，这两个细胞将各自发育成一半的胚胎。然而，回顾性基因组分析表明，人类体内存在显著的克隆不均衡现象，即一个细胞比另一个细胞对胚胎的贡献更大。研究人员通过标记和实时成像，发现这种不均衡现象在胚胎的早期阶段已经开始显现。

不对称细胞分裂的机制

在8细胞阶段到16细胞阶段的转变过程中，细胞的分裂模式对内细胞团的形成起到了关键作用。研究发现，不对称细胞分裂导致了细胞内化的瓶颈效应，使得只有少数几个细胞能够内化并形成内细胞团。这些内化细胞主要来源于最早分裂的2细胞原基细胞，这表明细胞分裂的时序对内细胞团的组成具有重要影响。

计算模型的预测

为了进一步验证实验结果，研究团队建立了一个计算模型，模拟了细胞分裂、细胞死亡和细胞内化等过程。模型预测表明，在8细胞阶段的第一次不对称分裂中，内化的细胞数量越少，克隆不均衡的程度就越高。这与实际观测到的内细胞团组成不均衡现象高度一致。

不均衡性对胚胎发育的影响

这种早期的不均衡性在后续的胚胎发育中被保留和扩大。模型预测表明，在大多数胚胎中，一个2细胞原基细胞对内细胞团的贡献超过60%。这种不均衡性不仅影响了内细胞团的组成，也对未来胎儿的发育具有深远影响。

该研究通过前瞻性谱系追踪和计算模型，揭示了人类胚胎在早期发育过程中存在显著的克隆不均衡现象，并确定了这种不均衡性的具体形成机制。这一发现不仅为理解人类胚胎早期发育的基本机制提供了新的视角，也为辅助生殖技术和胚胎工程领域的应用研究提供了重要参考。

这项研究为我们理解人类胚胎发育的基本机制提供了新的视角。然而，要完全揭示这些机制还需要更多的研究。例如，细胞分裂的具体调控机制、内化细胞的选择机制以及这些过程如何被基因和环境因素调控等问题都需要进一步探索。此外，这些发现对辅助生殖技术也具有重要意义，未来可能通过调控早期细胞分裂和内化过程，优化胚胎培养和选择，进一步提高体外受精技术的成功率。

该研究通过揭示人类胚胎在早期发育过程中存在的克隆不均衡现象，为我们理解生命起源和胚胎发育提供了重要的科学依据，同时也为临床辅助生殖技术的发展提供了新的思路。这不仅是科学研究的一个重要进展，也为无数希望通过辅助生殖技术获得新生命的家庭带来了新的希望。

原文链接

DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.04.029