《細胞》：新研究揭示不對稱性是如何造就生命的

·受精卵在最初階段所分裂出的兩個細胞對發育的作用并不相同，它們分別形成了胎兒以及為胎兒提供營養的組織。這一發現可能有助于提高體外受精（IVF）的成功率。

生命是不對稱的。雖然人類的五官和四肢看起來大致對稱，但器官卻呈非對稱排列，如：心臟在左、肝臟在右。如果深入到細胞乃至更小的分子層面，不對稱性則幾乎是“鐵則”：DNA向右螺旋，蛋白質等分子往往呈“手性”（指“一個物體不能與其鏡像相重合”的對稱特點）。

科學家一直在探索這種不對稱性的起源以及對于生命的意義。近日一項研究發現，不對稱性在人類胚胎發育階段扮演重要的角色。該研究顯示，受精卵在最初階段所分裂出的兩個細胞對發育的作用并不相同，它們分別形成了胎兒以及為胎兒提供營養的組織。這一發現可能有助于提高體外受精（IVF）的成功率。

該研究于當地時間2024年5月13日發表于《細胞》（Cell）雜志上，題目為《最初的兩個胚泡細胞對人類胚胎貢獻不同》（“The first two blastomeres contribute unequally to the human embryo”），作者是來自美國加州理工學院、美國南加州大學、英國劍橋大學等機構的Magdalena Zernicka-Goetz、Sergi Junyent、Maciej Meglicki等數十名科學家。

在這項研究中，研究者們通過譜系追蹤技術（lineage tracing）來標記和追蹤早期的胚胎細胞，發現受精卵分裂之初所形成的兩個細胞已經具有不同的命運——其中一個及其后代會形成內細胞團（Inner Cell Mass，ICM）并最終發育成胎兒，而另一個則會形成滋養外胚層（Trophectoderm, TE），最終發展成胎盤和一些胚胎外組織。

研究使用了一種綠色熒光蛋白來標記受精卵第一次分裂后產生的兩個胚泡細胞之一，以追蹤它分裂出的細胞群。除此之外，研究還采用了一種活體染色技術來標記細胞的基因組。圖片來源：《細胞》雜志

受精卵第一次分裂后，會產生兩個胚泡細胞（blastomere），這被稱為胚胎的2細胞階段。隨后，胚泡細胞會持續呈指數分裂，經歷4細胞、8細胞、16細胞等階段，直到胚胎形成包含內細胞團和滋養外胚層的囊胚（Blastocyst）結構。

以往普遍認為，在16細胞階段以前，哺乳動物胚胎中所有細胞都是相同的，對囊胚的各個結構的形成有著均等的貢獻。它們直到發育后期才開始分化，最終由囊胚發育成外、中、內三個胚層，外胚層最終發育成機體的神經、皮膚等組織，中胚層發育成心臟、血液、肌肉和骨骼等組織，內胚層則發育成肺、肝、胰腺和腸等內臟器官。

但在2001年，本次研究的通訊作者、生育生物學家Magdalena Zernicka-Goetz與她的合作者發現，小鼠胚胎中的前兩個細胞是不同的。兩個細胞中的一個分裂成主要構成小鼠胎兒大部分的后代細胞，而另一個細胞的后代主要形成為早期胚胎提供營養的卵黃囊（Yolk sac）。

為了探究在人類中是否也如此，本次研究中，在患者同意的情況下，Zernicka-Goetz和她的團隊從一個體外受精診所中獲得了54個尚未完全完成第一次分裂的受精卵。研究人員讓受精卵在實驗室中分裂，并用一種熒光蛋白標記其中一個產生的胚泡細胞。這使他們能夠追蹤發育中的每個胚泡細胞的后代。

研究人員將胚胎培養四到五天，直到它們開始形成不同的結構。他們發現，形成胎兒的內細胞團中的大多數細胞起源于2細胞階段中的一個特定胚泡細胞，這個細胞比另一個要更快分裂。在8至16細胞階段的過渡期間，這個更快分裂的胚泡細胞的后代中有少數發生“內化”，從胚胎表面遷移到內部，最終形成內細胞團。

通過計算，研究者們發現在形成的囊胚中，在內細胞團中占主導地位的細胞群平均貢獻了71.25%，也就是說，最初的兩個細胞之一所分裂出的后代中的大部分形成了這個胚胎結構。而滋養外胚層中占主導地位的細胞群平均貢獻了外胚層62.86%的細胞。

研究者們還開發了一個統計模型，在這些數據的基礎上通過計算機模擬預測了胚胎發育中的細胞分布，其結果與觀測到的分布基本一致。

目前尚不清楚是什么導致受精卵在發育初期的這種不對稱分裂。研究者們考察了胚胎質量（如大小）和基因組，但發現它們不是導致這種不對稱的主要因素。在該團隊之前的小鼠研究中，精子進入卵子的位置影響了受精卵隨后的分裂方式，但這點無法在本次的研究中驗證。

除了揭示不對稱性在胚胎發育過程中的作用之外，該研究成果或能幫助提升體外受精技術的成功率。Zernicka-Goetz在接受《自然》雜志（Nature）采訪時表示，知道哪些細胞更有可能形成胎兒，可以讓IVF診所更好地篩選胚胎，以找到最有可能成功妊娠的胚胎。

她還說，很難預測這種早期不對稱將如何影響后來的人體發育，但影響可能非常持久。