議題背景:

今(2021)年11月18日,國際期刊《自然》(Nature)發表一篇研究,使用來自捐贈者、大約受精後第二到三周的人類胚胎,再藉由單細胞轉錄體技術(Single-cell transcriptomic characterization),分析胚胎中細胞的遺傳物質組成、不同種類與特化的情形。

研究文獻:

Tyser, R.C.V., Mahammadov, E., Nakanoh, S. et al. (2021) " Single-cell transcriptomic characterization of a gastrulating human embryo." Nature . https://doi.org/10.1038/s41586-021-04158-y

英國Science Media Center專家意見

expert reaction to study of early human development (gastrulation) in a human embryo.

專家怎麼說?

2021年11月18日
臺灣大學生命科學系教授 李士傑

結論:

① 人類胚胎在受精後的16-19天會形成原腸胚,是胚胎發育的一個關鍵時期。然而在此時期懷孕的婦女大多還未察覺自己已懷孕,加上倫理法規的規定難以取得體外培養之原腸胚,所以研究人類原腸胚形成過程[註1]非常困難,更難了解懷孕早期失敗的原因。

② 此研究是首次有研究使用人類此時期的早期胚胎,以單細胞定序分析,證明其中的一些細胞在早期已經特化,且再次證明了人類及其他不同物種在胚胎上的演化差異。

③ 此研究對研究人類胚胎發育成不同器官或組織的歷程有重大貢獻,將有助於未來分析、比較人類早期胚胎基因表現的缺陷,用以發展改善人類胚胎發育過程缺陷的策略,以期解決所衍生之不孕症狀。

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1.    這篇研究為什麼重要?比起先前觀察胚胎發育的文獻,最值得公眾重視的部分是什麼?

在胚胎發育過程中,原腸胚[註1]形成缺陷會造成胚胎異常,死亡或著床失敗而致不孕。而我們對人類原腸胚形成過程卻所知甚少,主因人約在受精後16-19天形成原腸胚,媽媽們根本不知已經懷孕,遑論提供胚胎做相關研究,而法規也規定受精後14天後之人類胚胎必須銷毀。

所以此等研究端賴古老的人胚樣本,以及由海膽、果蠅、斑馬魚及小鼠等不同模式動物的研究成果來推論。然而模式動物的原腸胚形成雖有其保守性,但亦存在演化差異。

而本研究乃首先使用人類原腸胚,以單細胞定序分析各細胞核糖核酸組成,將細胞分群配對至原腸胚各部位組織,以瞭解其包含之不同細胞種類。除三胚層所屬細胞,其中甚至發現有精子、卵子及血液內皮前驅細胞,還有紅血球母細胞,證明了此等細胞在原腸胚就已特化。而之前研究雖發現小鼠的原腸胚已有神經特化,然在此人類原腸胚中卻未發現此現象,這也再次證明了兩者演化的差異,日後在靈長類及其他不同物種之單細胞分析則更形重要,以期解釋胚胎發育演化之進程。

2.    這篇研究的推論是否有研究限制?

此一研究只有一個人類原腸胚之數據,其再現性未知,尚待證實。

3. 這篇研究可以如何幫助我們了解人類的胚胎發育機制,以及改善人類胚胎發育過程的問題?

這篇研究首次以單細胞分析一個人類原腸胚的細胞種類,對研究人類胚胎發育成器官或組織的歷程(細胞譜系,cell lineage)有重大貢獻,將有助於未來分析、比較人類早期胚胎基因表現的缺陷,用以發展改善人類胚胎發育過程缺陷的策略,以期解決所衍生之不孕症狀。

2021年11月18日
中國醫藥大學生物醫學研究所教授 朱志成

這篇研究利用最先進的分析技術與工具,針對早期人類胚胎中每個單一細胞的基因表現做了精準的分析,讓我們對人類早期發育過程有了最直接而深入的了解,無疑是首度解碼人類胚胎發育過程細胞與基因變化之里程碑。

過去雖然發育生物學家也從其它的物種或流產的胚胎推敲出早期人類胚胎發育過程的軌跡,但尚無直接以人類胚胎進行完整分析的案例。而本研究有機會取得相當於16-19日齡的流產胚胎,探討其基因表現的特性,發現在這個時期的胚胎已有血液細胞與生殖前驅細胞的生成。

但與小鼠腔腸期胚胎不同之處,其一在於這個階段的人類胚胎的神經系統尚未發育,意味著該胚胎並未能感知不適與痛苦,這也替本試驗在人道考量方面取得了一個較可能被接受的出口。

然而本研究也有其無法周全之限制點,亦即早期胚胎發育變化極其快速,在此唯一的樣本情況下所得出來的分析結果,在生物統計學的前提下,應屬於個案觀察,此並不完全符合科學方法的基本要求。

此外,該胚胎的個別屬性,例如是否為特定狀態下或特定族群的個體,似未完整襯托出來。因此,此一結果否能具體代表所有胚胎的狀態仍值得我們思考;或許在未來有更多類似研究出現時,科學家們最終才能拼湊出更完整的人類胚胎發育圖譜。

註釋:

[註1] 原腸胚形成(gastrulation)的時期在胚胎發育極其重要,早期胚胎僅不斷分裂以取得足夠細胞,卻不分化。而原腸胚形成時,細胞開始遷徙形成內中外三個胚層,進而開始分化成不同種的細胞。

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曾雨涵

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