小鼠胚胎中所有细胞外膜发出红光。一小部分细胞表达发出绿光的蛋白意味着它们是指示头部发育的细胞。图片来自剑桥大学格登研究所Magdalena Zernicka-Goetz教授。
2012年2月14日，《自然-通讯》期刊报到了一种研究哺乳动物胚胎发育的新方法。这项研究是由英国剑桥大学Magdalena Zernicka-Goetz教授实验室完成的。它能够让科学家观察胚胎发育的关键阶段，而这在以前是人们无法观察到的。
几十年以来，科学家一直能够培养胚胎从单个细胞即受精卵到胚泡(blastocyst)---单个受精卵经过几轮细胞分裂产生的64细胞阶段的球体。在实际应用中，这允许科学家开发出体外受精技术辅助生育。
它也能够让科学家更多地了解在胚胎发育早期阶段哪些细胞最先对它们的命运作出决定。这是因为在胚胎最初4天发育中，人们能够观察到它们经历的发育事件，而且在模式动物如小鼠中，人们可以操纵涉及发育过程的基因表达以便更好地理解它们所起的作用。
64细胞阶段的胚泡由三种细胞类型组成，其中一种类型是少量的将发育成完整生物个体的干细胞，它们由另外两种胚外层细胞(extra-embryonic cell)类型所抚育，而且这两种胚外层细胞类型不仅促进胎盘产生，而且当干细胞群体扩大时发出指示特定发育事件产生的信号。当前，人们对导致这三种细胞类型形成的分子和细胞事件有了相当深刻的理解。
然而，科学家对随后发生的发育事件的了解相当有限。这时所处的发育阶段(大约发育第4天)是发育中的胚胎在母亲子宫着床，当这发生时胚胎的发育人们便不能观察到。然而这是胚胎发育的一个非常重要的阶段，因为胚胎外组织将给干细胞提供信号指示它们在何处产生身体上的头部和尾部。
研究人员应当可以从诸如小鼠之类的模式生物系统中复原出这种胚胎发育过程：当该过程发生时，人们从拍摄的图片中构建出当中到底发生什么。但是直到现在，当它发生时，人们一直不能够记录这种过程，更不用说理解参与到当中的其他过程。
利用小鼠胚胎作为模式动物，Zernicka-Goetz教授和她的同事们成功地开发出一种能够观察胚胎在子宫中着床的方法，该方法是通过在母亲体外培养发育到第8天的胚胎并对它们拍照。
最为重要的是，Zernicka-Goetz教授领导的研究小组如今能够对这个关键性的发育阶段制作出影片。该影片正揭示关于指示胚胎在何处产生头部的胚外层细胞簇来源的秘密。他们使用一种只在指示这种“头部”产生的区域中表达的基因，而且该基因被一种能够发出荧光的蛋白标记以便在体外培养的胚胎中追踪这些胚外层细胞。
通过这种方式，他们能够确定这些细胞起源自胚泡阶段的一到两个细胞，它们的后代细胞最终在胚胎一个特定部分簇集在一起，然后集体地迁移到它们指示头部发育的位置。引领这种迁移的细胞似乎在引领剩余细胞的迁移中发挥着极其重要的作用和充当着先锋者的角色。
这项研究的通讯作者Zernicka-Goetz教授说，“这种方法不仅揭示出人们之前不能观察的发育事件，而且它还有着其他重要的潜在性应用。正是在这种发育阶段自然的干细胞群体发生扩增为构建出一个完整的身体打下基础。”
“在小鼠中，在能够产生所有身体组织从而构建出一个完全新的有机体的胚泡阶段从胚胎中建立干细胞系是相当容易的。然而在人类中，这种干细胞系更加难建立。这种新技术为人们提供希望：通过允许人们以一种类似体内胚胎正常发育的方式在体外扩增自然的干细胞群体，它应当使得人们很容易建立干细胞系。毋庸置疑的是，它将允许人们直接研究这种胚胎发育阶段，因此应当提供一种更好地在胚胎干细胞的自然发育过程中理解它们的手段。”
这项研究是在剑桥大学格登研究所完成的，实验中所采用的培养基是与英国诺丁汉大学药学院共同开发的。(生物谷：towersimper编译)
doi:10.1038/ncomms1671
PMC:
PMID:
Dynamics of anterior–posterior axis formation in the developing mouse embryo
Samantha A. Morris, Seema Grewal, Florencia Barrios, Sameer N. Patankar, Bernhard Strauss, Lee Buttery, Morgan Alexander, Kevin M. Shakesheff & Magdalena Zernicka-Goetz
The development of an anterior–posterior (AP) polarity is a crucial process that in the mouse has been very difficult to analyse, because it takes place as the embryo implants within the mother. To overcome this obstacle, we have established an in-vitro culture system that allows us to follow the step-wise development of anterior visceral endoderm (AVE), critical for establishing AP polarity. Here we use this system to show that the AVE originates in the implanting blastocyst, but that additional cells subsequently acquire AVE characteristics. These 'older' and 'younger' AVE domains coalesce as the egg cylinder emerges from the blastocyst structure. Importantly, we show that AVE migration is led by cells expressing the highest levels of AVE marker, highlighting that asymmetry within the AVE domain dictates the direction of its migration. Ablation of such leading cells prevents AVE migration, suggesting that these cells are important for correct establishment of the AP axis.
