使用基于CRISPR的工程方法促使干细胞组织成类胚胎结构，科学家们能够创建“可编程”的细胞模型，而无需实验任何实际的胚胎。
受精后最早的几天，一旦精子细胞与卵子相遇，便笼罩在科学的神秘之中。
一个普通的单细胞如何变成一个有机体的过程，让各学科的科学家们都感到着迷。对于某些动物来说，细胞的增殖、特殊细胞的生成以及它们组织成有序的多细胞胚胎的整个过程发生在子宫这个保护性的环境中，这使得直接观察和研究变得具有挑战性。这使科学家们很难理解在这个过程中可能发生的错误，以及哪些特定的风险因素和周围环境可能阻止胚胎的形成。
加州大学圣克鲁兹分校的科学家们能够在未实验任何实际胚胎的情况下，制造出细胞模型，模仿两性生殖细胞相遇后的最初几天。他们使用基于CRISPR的工程方法，促使干细胞组织成“可编程”的类胚胎结构，也称为胚胎体，可以用来研究在早期发育中某些基因的作用。这些结构并不是实际的胚胎，而是实验室培养的细胞组装而成，以模仿早期发育阶段的某些方面。其研究结果发表在领先的干细胞期刊Cell Stem Cell上。
“作为科学家，我们感兴趣的是如何在试管中重现和利用自然现象，比如胚胎的形成，以便进行那些在自然系统中难以进行的研究，”生物分子工程助理教授、研究的主要作者阿里·沙里亚提说。“我们想知道细胞如何组织成类胚胎模型，以及在病理条件下什么可能出错，导致动物未能成功发育。”
细胞共发展
沙里亚提是干细胞工程的专家，这一领域使用干细胞——未专门化的细胞，可以形成任何类型的细胞如肠道细胞或脑细胞——来研究和解决生物学及健康问题。
该项目由加州大学圣克鲁兹分校的博士后研究员杰拉德·洛德维克和生物分子工程专业的校友、现加州理工学院研究生小泽冢咲参与，使用了在实验室中常见的鼠类干细胞，引导它们形成胚胎的基本构建块。
该团队使用了一种被称为表观基因组编辑器的CRISPR技术版本，该技术不会切割DNA，而是修改其表达方式。他们针对已知参与早期胚胎发育的基因组区域。这使得他们能够控制哪些基因被激活，并促进所需的主要细胞类型在早期发育阶段的创建。
“我们使用干细胞，像一块空白画布，利用我们的CRISPR工具诱导不同类型的细胞，”洛德维克说。
这种方法的优势在于允许不同细胞类型“共同发展”，这更接近自然胚胎形成，而不是其他科学家用来发展不同细胞类型的化学方法。
“这些细胞一起共同发展，就像它们在实际胚胎中一样，并建立起邻居的历史，”沙里亚提说。“我们并没有改变它们的基因组，也没有暴露它们于特定的信号分子，而是激活现有的基因。”
团队发现，在几天后，80%的干细胞自发组织成一种模仿胚胎最基本形式的结构，并且大多数经历了反映活生物体发育过程的基因激活。
“细胞自我组织的方式，以及分子组成的相似性都非常显著，”沙里亚提说。“[这些细胞所需]的外部输入非常少——就仿佛这些细胞已经知道该怎么做，而我们只是给了它们一点指导。”
研究人员观察到细胞展现出集体行为，相互移动和组织在一起。
“其中一些细胞开始进行旋转迁移，几乎像鸟类或其他物种的集体行为，”沙里亚提说。“通过这种集体行为和迁移，它们可以形成这些迷人的胚胎形态。”
“可编程”的模型
拥有一个准确的基线模型，反映一个生物体的早期胚胎，可以让科学家们更好地研究和了解如何治疗发育障碍或突变。
“这些模型对早期发育阶段所发生的事情有更完整的表征，并且能捕捉背景，”洛德维克说。
CRISPR编程不仅允许科学家在实验过程开始时激活基因，还使他们能够激活或修改对其他发育部分重要的基因。这使得胚胎模型成为“可编程”的，意味着它们可以在发展过程中相对容易地受到高水准的控制，以目标和测试多个基因的影响，阐明这些基因的激活或失活时可能产生的有害效应。
例如，研究人员演示了某些组织在早期发育期间如何形成或受到阻碍，但他们的方法可以用于研究各种基因及其对细胞类型的级联效应。
“我认为这是这项研究的开创性工作——可编程性，以及我们不依赖外部因素来实现这一点，而是对细胞内的控制有很大把握，”沙里亚提说。
研究人员对这种方法可能用于研究其他物种感兴趣，使其在不使用实际胚胎的情况下了解它们的胚胎形成。
这项研究可能有助于研究导致生育在早期阶段失败的瓶颈。在哺乳动物中，人类面临更多生育挑战，因为人类胚胎往往无法成功植入或建立正确的早期组织形式。理解为何如此可能有助于提升人类生育能力。
