中国科学家揭示人类胚胎发育进化奥秘

文汇报 2018-03-13 09:14:39 本文作者:郭超豪本网编辑:塞尼

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人类的生命从受精卵开始,一个受精卵如何发育成含有200多种细胞类型、36个重要器官的复杂有机体,是生命科学最大的难题之一。随着生命科学的发展,科学家已经知道,发育的进行需要体内的基因按照设定的程序、在特定的时间和特定的地点有序地表达,这个过程称为基因表达的编程。

中国科学院北京基因组研究所刘江团队与山东大学附属生殖医院陈子江团队、广州医科大学刘见桥团队合作,在国际上首次解读了这种“编程语言”如何指挥人类胚胎的基因表达,相关研究在今天凌晨发表于国际顶级期刊《细胞》。

技术突破,微量细胞也能做成大事

“我们体内的各种细胞几乎都有大量基因的表达。然而,卵子受精之后大约有两天的时间非常特殊,这段时期的胚胎几乎没有基因表达。”刘江告诉记者,如何让人的基因开始表达,哪些基因会先表达、哪些基因后表达,一直以来都是研究难点。

根据传统研究方法,此类实验需要用到约100万个人类早期胚胎细胞。但人的早期胚胎资源非常有限,成本很高且难以大量获取,成为该类研究的一大“瓶颈”。

为了克服这一难题,刘江团队革新技术,精细化实验流程,建立了微量细胞的研究方法。只用了50个细胞,就做到了之前需要100万个细胞完成的实验,在国际上首次成功研究了人类胚胎基因组的激活机制。

“我们找到了启动人类基因组表达的关键分子(Oct4),并发现在进化历史中,最先出现的基因会先表达、而最后出现的基因往往会后表达。究其原因,是细胞设定程序让老基因的调控开关最先被打开。”刘江说。

那么,什么是老基因,什么是新基因呢? 刘江解释道,地球生命起源于约30亿年前,当时生物所带有的基因,是目前所有物种都需要的基因,称之为最老的基因;哺乳动物出现后,与胎盘生殖相关的基因,就是较新的基因;而人类出现后,类似神经系统中有许多人独有的基因,就是最后出现的基因。

国际领先,提供优生优育理论基础

刘江介绍,这项研究还揭示了人类进化的一个重要新机制。

“DNA的突变会引起人类的进化,DNA序列中有一类被称为转座子的DNA片段,它们常常会从一个区域跳到另一个区域,这种跳动就会产生DNA突变。而转座子恰恰主要在胚胎中处于活跃状态,使人类基因组产生新突变。而只有在胚胎中产生的突变,才更可能传递到后代中,从而引起人类的进化。”这项成果打开了认识人类胚胎发育基因表达调控的大门,使我国在人类发育领域的研究中处于国际领先地位,这将为人类的优生优育提供理论基础。

目前,这项成果离直接投入优生优育领域的应用还有一段距离,但刘江团队中关于提高试管婴儿医疗效率的课题已处于临床验证阶段。在打开了人类胚胎发育和进化奥秘这扇大门后,更多相关领域的课题研究必将飞速发展。

据悉,中国科学院北京基因组研究所刘江团队长期致力于胚胎发育研究,此前已连续三次在《细胞》杂志发表文章,揭示DNA甲基化图谱在哺乳动物和鱼类的继承规律,更新了关于受精后DNA甲基化图谱重编程的传统认识。


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