首頁資訊中科院動物所王紅梅團隊揭秘食蟹猴全妊娠周期胎盤細胞譜系分化和動態(tài)變化特征

中科院動物所王紅梅團隊揭秘食蟹猴全妊娠周期胎盤細胞譜系分化和動態(tài)變化特征

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2026年02月25日 15:03

原創(chuàng) Cell Press CellPress細胞科學

生命科學

Life science

2023年4月12日，中國科學院動物研究所王紅梅團隊在Cell Press細胞出版社期刊Developmental Cell上發(fā)表了題為“Identifying a dynamic transcriptomic landscape of the cynomolgus macaque placenta during pregnancy at single-cell resolution”的研究成果。該研究以食蟹猴為模型，利用單細胞轉(zhuǎn)錄組測序和深度分析，結(jié)合胎盤原代細胞培養(yǎng)、Co-IP、細胞侵潤遷移模型和染色鑒定等方法，系統(tǒng)描繪了食蟹猴全妊娠周期胎盤細胞譜系分化和動態(tài)變化特征，揭示了胚外中胚層細胞向胎盤絨毛內(nèi)細胞的分化軌跡，闡述了人和食蟹猴母-胎界面細胞的種間差異。該研究為揭示靈長類胎盤形成機制提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源，也為了解人類胎盤異常發(fā)育的相關(guān)疾病及其病理機理提供重要的線索與依據(jù)。安徽醫(yī)科大學校聘教授蔣祥祥、中國科學院動物研究所副研究員翟晶磊、北京理工大學副教授肖振宇、中國科學院動物研究所博士研究生吳緒倫和浙江大學教授張丹為該論文共同第一作者。

胎盤是妊娠過程中連接母體和胎兒的臨時器官，具有為胎兒提供營養(yǎng)物質(zhì)，保護胎兒免受母體排斥等功能。胎盤發(fā)育和功能異?？蓪е露喾N妊娠并發(fā)癥，如子癇前期、胎兒宮內(nèi)生長受限等1。

胎盤絨毛是胎盤的基本功能單元，由外層的滋養(yǎng)層上皮和內(nèi)部的絨毛內(nèi)細胞（placental villous core cells）構(gòu)成。滋養(yǎng)層上皮由位于內(nèi)層的細胞滋養(yǎng)層細胞（cytotrophoblast cells，CTBs）和外層的合體滋養(yǎng)層（syncytiotrophoblast ，STB）構(gòu)成2。在絨毛遠端，CTBs增殖形成滋養(yǎng)層柱，并分化為絨毛外滋養(yǎng)層細胞（extravillous trophoblast cells，EVTs）。EVTs可分為間質(zhì)EVTs和血管EVTs。間質(zhì)EVTs侵入母體蛻膜，與蛻膜細胞相互作用，調(diào)節(jié)母-胎界面免疫平衡。血管EVTs沿子宮螺旋動脈內(nèi)側(cè)改建血管內(nèi)皮細胞，使螺旋動脈被重塑為低阻力、高容量的子宮胎盤動脈，從而保障胎盤血液灌注充足。已有研究利用single-cell RNA sequencing（scRNA-seq）確定了CTBs、STB和EVTs的亞群及它們在某特定妊娠階段或病理條件下的分子特征。然而，滋養(yǎng)層細胞在全妊娠周期的動態(tài)變化特征仍未被全面解析。

胎盤絨毛內(nèi)細胞的發(fā)育對胎盤形態(tài)發(fā)生和功能至關(guān)重要3。胎盤絨毛內(nèi)細胞主要包括胎盤間質(zhì)細胞（placental mesenchymal cells, pMes）、內(nèi)皮細胞（placental endothelial cells, pECs）、胎盤定植型巨噬細胞霍夫鮑爾細胞（Hofbauer cells, HBCs）和紅細胞（placental erythrocytes, pEry）等。pMes與pECs共同維持胎盤血管結(jié)構(gòu)，并共同參與造血微環(huán)境的構(gòu)建。HBCs可通過分泌多種細胞因子促進胎盤血管生成。長期以來，領(lǐng)域內(nèi)普遍認為胎盤絨毛內(nèi)細胞起源于胚外中胚層（extraembryonic mesoderm, ExE.Meso），但基本上是根據(jù)早期植入胚胎的HE切片染色等結(jié)果間接證明4，尚需更加直接和可信度更高的實驗證據(jù)，且ExE.Meso分化成pMes、pECs、HBCs和pEry等細胞的具體細節(jié)尚未被闡明。

為了解答以上全妊娠周期胎盤細胞譜系分化和功能變化的關(guān)鍵科學問題，需要獲取靈長類全妊娠周期胎盤和早期胚胎組織。但人的相關(guān)組織極難獲得。非人靈長類食蟹猴在進化上與人類相近，其胚胎和胎盤的發(fā)育過程和結(jié)構(gòu)特征與人類相似，是研究上述問題的理想模型之一。因此，研究者收集了覆蓋食蟹猴全妊娠周期的10個階段（E20、E23、E26、E29、E35、E45、E62、E84、E90和E140）的胎盤和子宮蛻膜樣品，以及卡耐基分期（Carnegie stage, CS）8-11階段的6個胚胎樣品（E20、E23、E26和E29）5，利用10x Genomics單細胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)獲得了217404個建庫成功的單細胞，構(gòu)建了食蟹猴全妊娠周期胎盤和子宮蛻膜以及早期胚胎的單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜?；谒鶛z測到的單細胞的基因多態(tài)性、組織來源、差異表達基因（differentially expressed genes, DEGs）等特性，研究者將所有細胞分為20個主群（圖1）和91個亞群。根據(jù)DEGs分析，發(fā)現(xiàn)胎盤滋養(yǎng)層細胞可被分為早期（E20-E35）、中期（E45）和晚期（E62-E140）的亞群，提示靈長類胎盤或具有早、中、晚三個功能階段?；跀?shù)據(jù)庫的構(gòu)建，研究者進一步通過深度數(shù)據(jù)挖掘和實驗驗證，嘗試回答胎盤發(fā)育的關(guān)鍵科學問題。

圖1. 不同發(fā)育階段獲得的代表性食蟹猴胚胎和胎盤明場圖像（A）與20種主要細胞類群（B）

為了研究全妊娠周期滋養(yǎng)層細胞的分子特征和功能變化，研究者將61791個滋養(yǎng)層細胞分為13個亞型，包括早、中、晚期的固有CTBs（intrinsic CTBs，iCTBs），早、中、晚期的具有融合能力的CTBs（fusion-competent CTBs，fcCTBs），早、中、晚期的EVTs，兩種平滑絨毛滋養(yǎng)層細胞（smooth chorion trophoblast-like cells, XTBs）和STB。不同階段CTBs具有不同特性，例如，DEGs分析和熒光染色鑒定提示早期iCTBs具有較強增殖能力，增殖細胞的數(shù)量隨著妊娠過程逐漸減少。融合基因表達分析和原代細胞融合實驗提示fcCTBs融合能力伴隨妊娠進程逐漸增強。DEGs分析和熒光染色實驗提示晚期CTBs特異高表達泛素化酶，這可能與防止妊娠晚期絨毛膜異常蛋白代謝相關(guān)。GO分析和劃痕實驗等發(fā)現(xiàn)，早期EVTs具有更強的侵襲能力，而晚期EVTs的侵襲能力降低。擬時間軌跡和RNA速率分析表明，早期iCTBs可分化為中、晚期iCTBs和早期EVTs，但中、晚期CTBs失去了分化為EVTs的潛力（圖2）。

圖2. 13種滋養(yǎng)層細胞亞型的UMAP圖（A）；13種細胞亞型的RNA速率分析（B）；各滋養(yǎng)層亞型特異性標記基因表達（C）；滋養(yǎng)層細胞在不同階段的動態(tài)功能變化（D）

食蟹猴子宮蛻膜細胞包括蛻膜基質(zhì)細胞（decidual stromal cells, dSs）、血管周細胞（decidual perivascular cells, dPVs）、NK細胞（decidual NK cells, dNKs）、T細胞（decidual T cells, dTs）和巨噬細胞（decidual macrophages, dMac）等。與滋養(yǎng)層細胞相比，它們在整個妊娠周期的細胞組分和轉(zhuǎn)錄組特性相對穩(wěn)定。CellphoneDB分析和Co-IP實驗提示，EVTs和蛻膜細胞之間潛在的受體-配體耦聯(lián)伴隨著妊娠進程呈動態(tài)變化，這些變化與母-胎界面的細胞增殖、遷移、血管生成和免疫耐受等功能密切相關(guān)。

對于胎盤絨毛內(nèi)細胞，研究者發(fā)現(xiàn)pECs伴隨妊娠周期可分為早期和中晚期的功能亞群。CellphoneDB分析提示CTBs與絨毛內(nèi)細胞之間具有豐富的受體-配體耦聯(lián)，這些特征提示CTBs或具有募集絨毛內(nèi)細胞，促進血管生成和調(diào)節(jié)pECs的造血潛能等作用。在絨毛內(nèi)細胞中，HBCs、pMes和pECs之間也具有豐富的受體-配體耦聯(lián)，這些特征提示HBCs或為pMes和pECs提供分化微環(huán)境。

ExE.Meso細胞是絨毛內(nèi)細胞的主要來源，但其如何分化為功能性的絨毛內(nèi)細胞仍未被闡釋清楚。為此，研究者將來自CS8-11（E20-29）的胚胎、絨毛和卵黃囊的59032個細胞進行整合分析。DEGs分析、擬時間分析和熒光染色提示，ExE.Meso包括ExE.Meso1和ExE.Meso2兩個亞群。ExE.Meso1主要分布在羊膜背側(cè)的尾部與尿囊遠端，可分化為pMes；而ExE.Meso2分散在卵黃囊臟側(cè)和尿囊遠端，可分化為胎盤的血細胞譜系，包括HBCs、pECs和pEry。

為了詳細描述ExE.Meso2向胎盤血細胞譜系的分化軌跡，研究者將胎盤、胚胎和卵黃囊的血細胞譜系進行深度分析，并定義出成血管原細胞（hemangioblasts, Haems）、胚胎和卵黃囊內(nèi)皮細胞（embryonic and yolk sac ECs, e&ysECs）、血祖細胞（blood progenitor cells, BPs），巨核祖細胞（megakaryocyto progenitors cells, Mega progenitors）、胚胎和卵黃囊紅細胞（e&ysEry）、紅髓前體細胞（erythro-myeloid progenitor cells, EMPs）、髓系祖細胞（myeloid progenitor cells, Mye progenitors），胚胎和卵黃囊巨噬細胞（e&ysMacs）等。RNA速率分析和擬時間軌跡提示，ExE.Meso2向胎盤血細胞譜系分化的過程包括：（1）ExE.Meso2分化為Haems，Haems可能分化為e&ysEC1和EMPs；（2）e&ysEC1→e&ysEC2→e&ysEC3的順序分化，以及e&ysEC3分化為e&ysEC4和pECs；（3）EMPs分化為Mye progenitors和BPs；（4）Mye progenitors→e&ysMacs→HBCs的順序分化；（5）BPs分化為Mega progenitors和e&ysEry1；（6）e&ysEry1→e&ysEry2→ e&ysEry3→pEry的順序分化（圖3）。

圖3.免疫熒光結(jié)果顯示ExE.Meso1（COL1A1+/TWIST1+/CDX2Lo）和ExE.Meso2（CDX2+/COL1A1Lo）在E22食蟹猴胚胎上的定位（A）；模式圖展示了推定的兩種ExE.Meso的定位差異（B）；模式圖顯示ExE.Meso2向成血管原細胞（Haems）分化，后向卵黃囊、胚胎和胎盤造血譜系細胞的假定分化途徑（C）；模式圖根據(jù)擬時間軌跡預測和速率分析繪制胎盤HBCs、pECs、pEry來源于原始造血細胞譜系（D）

為了揭示食蟹猴和人母-胎界面細胞的種間差異，研究者將已報道的人妊娠早、中、晚期胎盤和蛻膜的單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)與食蟹猴全妊娠周期母-胎界面單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行比對，發(fā)現(xiàn)兩物種母-胎界面的細胞組分和轉(zhuǎn)錄組特征具有高度相似性。EVTs和dNKs的表面標志物差異是已知的兩物種母-胎界面的典型差異之一。CellphoneDB分析提示，兩物種的EVTs和dNKs細胞之間具有相似的受體-配體耦聯(lián)，提示食蟹猴和人母-胎界面上NKs募集和免疫耐受的機制具有相似性。但CD94:NKG2C和KLRC2特異存在于人，所以人EVTs和dNKs通過CD94:NKG2C_HLA-E和KLRC2_HLA-E的耦聯(lián)所產(chǎn)生的相互作用更為顯著，這可能與高等靈長類的子癇發(fā)病率更高密切相關(guān)6。

綜上所述，該研究揭示了不同妊娠周期胎盤滋養(yǎng)層細胞的分子特征和功能變化，描繪了蛻膜細胞和滋養(yǎng)層細胞的相互作用伴隨妊娠周期的變化，闡述了兩種ExE.Meso向胎盤內(nèi)細胞的分化軌跡；比較了人與食蟹猴母-胎界面細胞和分子的種間相似性和差異性。這項工作為解析靈長類胎盤發(fā)育的機制提供了重要數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)，同時為人類胎盤異常發(fā)育引起的妊娠相關(guān)疾病的研究提供對照和參考。

國家重點研發(fā)計劃、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項和國家自然科學基金為該研究提供資助。

本文參考文獻（可劃動查看）

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作者專訪

Cell Press細胞出版社公眾號特別邀請王紅梅研究員代表研究團隊接受了專訪，請她為大家進一步詳細解讀。

CellPress：

您的團隊為何選擇開展食蟹猴全妊娠期胎盤的動態(tài)轉(zhuǎn)錄組圖譜的研究？

王紅梅研究員：

人類胎盤是妊娠期保護母體和胎兒健康的重要臨時器官。胎盤發(fā)育和功能異?？蓪е露喾N妊娠疾病。因此全面了解全妊娠周期胎盤細胞的譜系分化過程和動態(tài)變化特征極為重要。胎盤的發(fā)育并非孤立事件，其發(fā)育不僅依賴于囊胚階段滋養(yǎng)外胚層的分化，而且依賴于原腸運動階段胚胎尾部原條細胞的分化。盡管已有研究利用單細胞轉(zhuǎn)錄組測序揭示了胎盤細胞在某些特定發(fā)育階段的分子特性，但胎盤細胞譜系在全妊娠周期的分化過程和變化特征仍未被解答。若要全面解答這一問題，我們不僅需要獲得全妊娠周期的胎盤樣品，還需要獲得早期的胚胎樣品。但是，獲得正常的均一的人全妊娠周期胎盤樣品和早期胚胎樣品非常困難。因此我們開展了這項非人靈長類食蟹猴全妊娠期母-胎界面細胞的轉(zhuǎn)錄組圖譜研究。

CellPress：

您認為此項研究的亮點是什么？

王紅梅研究員：

我們首次構(gòu)建了靈長類全妊娠期的母-胎界面單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜。基于深度生信分析和實驗驗證，我們發(fā)現(xiàn)胎盤滋養(yǎng)層細胞在全妊娠期表現(xiàn)出動態(tài)分子差異和功能變化，而蛻膜細胞相對穩(wěn)定。滋養(yǎng)層細胞和蛻膜細胞的相互作用在不同妊娠階段的改變提示母-胎界面在不同妊娠階段的功能變化?；谠缙谂咛ゼ毎吞ケP絨毛內(nèi)細胞的整合分析，我們發(fā)現(xiàn)ExE.Meso的兩個類群或分別貢獻于胎盤間質(zhì)和血細胞譜系?；谑承泛锖腿四?胎界面細胞的比較分析，我們發(fā)現(xiàn)兩物種母-胎界面的細胞組成和分子特征非常相近，進一步證明我們食蟹猴胎盤研究對人胎盤研究的可推演價值。

CellPress：

您覺得此項研究對領(lǐng)域內(nèi)外有哪些理論和應用意義？

王紅梅研究員：

此項研究公開發(fā)表了食蟹猴全妊娠周期母-胎界面的單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，為精確系統(tǒng)地認知靈長類胎盤發(fā)育過程和功能演變提供了完整的數(shù)據(jù)參考，為靈長類胎盤或蛻膜的研究提供系統(tǒng)的可比對的數(shù)據(jù)藍本。我們在食蟹猴不同時期滋養(yǎng)層細胞的增殖和分化能力的研究中發(fā)現(xiàn)早期CTBs具有更強的增殖和分化能力，這為靈長類滋養(yǎng)層干細胞的體外誘導分化提供理論支持。我們首次展示了胚外中胚層向胎盤絨毛內(nèi)細胞分化的生信證據(jù)，這對解釋靈長類胎盤絨毛內(nèi)細胞的起源具有重要理論意義。同時我們的研究為妊娠相關(guān)疾病的研究提供了可參考的數(shù)據(jù)藍本，妊娠早、中、晚期疾病的母-胎界面研究均可對照我們的數(shù)據(jù)，直接獲知相關(guān)基因在某種細胞生理性表達水平，并有助于對組學研究數(shù)據(jù)進行細胞注釋和分期，所以該項研究工作對妊娠疾病的研究同樣具有重要意義。

作者介紹

王紅梅

研究員

王紅梅，中國科學院動物研究所研究員，博士生導師。干細胞與生殖生物學國家重點實驗室主任，北京干細胞與再生醫(yī)學研究院副院長。國家杰出青年基金獲得者，國家重點研發(fā)計劃“基于干細胞的生育力維持與重建”項目負責人。國家百千萬人才工程，“有突出貢獻中青年專家”。主要研究方向為：（1）哺乳動物早期胚胎和胎盤發(fā)生的細胞和分子機制；（2）干細胞與人類生育力的維持和重建。以通訊作者身份在Science、Nature、Nat Genet、Cell Res、Adv Sci、Cell Rep、eLife、Trends Genet、Curr Opin Cell Biol、Trends Mol Med、Development、Mol Endocrinol和Biol Reprod等期刊發(fā)表研究論文及綜述100余篇。

蔣祥祥

校聘教授

蔣祥祥，安徽醫(yī)科大學校聘教授，博士生導師。先后在中國科學院動物研究所攻讀博士學位和從事博士后研究工作。國家自然科學基金青年基金項目主持人，國家重點研發(fā)計劃項目骨干。主要研究方向為：哺乳動物（人、食蟹猴、小鼠等）母-胎界面細胞發(fā)育和功能，即以胎盤為中心，利用生物信息分析和生物實驗技術(shù)研究胎盤細胞和胚胎細胞的發(fā)育及母體蛻膜免疫細胞的功能。以第一作者和通訊作者身份在Science、Nature、Dev Cell、Cell Mol Immunol、Cell Discov等期刊發(fā)表研究論文12篇。

翟晶磊

副研究員

翟晶磊，中國科學院動物研究所干細胞與生殖生物學國家重點實驗室副研究員。先后在中國科學院動物研究所攻讀博士學位和從事博士后研究工作。主持國家自然科學青年項目和中國科學院特別研究助理項目，以研究骨干身份參與國家重點研發(fā)計劃兩項。主要研究方向為：（１）利用生物材料構(gòu)建嚙齒類和靈長類胚胎體外長時程培養(yǎng)體系；（２）利用胚胎培養(yǎng)體系研究靈長類動物原腸運動與早期器官發(fā)育核心事件；（３）構(gòu)建靈長類早期胚胎和胚外組織單細胞多組學圖譜等。以第一作者身份在Science、Nature、Trends Cell Biol和Adv Sci等期刊發(fā)表研究論文及綜述7篇。

肖振宇

副教授

肖振宇，北京理工大學生命學院副教授，校聘研究員，博士生導師。荷蘭萊頓大學（Leiden University）生物學博士，中國科學院動物研究所“致一”博士后。主持歐盟“地平線計劃”、國家級、省部級項目多項。主要研究方向為：（１）解析靈長類胚外組織發(fā)育、細胞譜系發(fā)生與疾病機理；（２）關(guān)注生命科技前沿領(lǐng)域倫理、網(wǎng)絡(luò)生物安全與挑戰(zhàn)。以第一作者和通訊作者身份在Nat Commun、Dev Cell和Trends Cell Biol等期刊發(fā)表研究論文及綜述18篇。

吳緒倫

博士在讀

吳緒倫，中國科學院動物研究所博士研究生，師從王紅梅研究員。

張丹

主任醫(yī)師

張丹，浙江大學求是特聘教授，主任醫(yī)師，博士生導師。浙江大學醫(yī)學博士。主持國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金課題等國家級項目八項。主要研究方向為：生殖健康與發(fā)育源性疾病的臨床與基礎(chǔ)研究。以通訊作者身份在Nat Commun、Am J Obstet Gynecol、Nano Today、Jama Netw Open、Cell Rep等期刊發(fā)表研究論文及綜述50篇。

相關(guān)論文信息

論文原文刊載于CellPress細胞出版社旗下期刊Developmental Cell上，點擊“閱讀原文”或掃描下方二維碼查看論文

▌論文標題：

Identifying a dynamic transcriptomic landscape of the cynomolgus macaque placenta during pregnancy at single-cell resolution

▌論文網(wǎng)址：

https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(23)00108-9

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2023.03.012

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