天真人类胚胎干细胞集落的显微镜图像，以绿色显示TFAP2C蛋白。细胞核是蓝色的。(
《自然细胞生物学》杂志上的一项新研究发现了有关人类胚胎细胞在胚胎植入前必须经过的关键阶段的信息。这项由加州大学洛杉矶分校生物学家阿曼德·克拉克（Amander Clark）领导的研究可以帮助解释某些不育和自然流产的原因。
不孕症影响着约10％的美国人口，约有15％至20％的美国怀孕以流产告终。在许多情况下，不孕和流产的原因尚不清楚。
由美国加州大学洛杉矶分校分子细胞与发育生物学教授，美国加州大学洛杉矶分校Eli and Edythe Broad再生医学和干细胞研究中心成员Clark领导的团队着手研究表观基因组的变化-非基因对基因表达的影响-在人类胚胎干细胞中的表达可以解释为什么某些胚胎不可行的原因。
加州大学洛杉矶分校广泛干细胞研究中心的科学家用荧光色标记了人类胚胎。幼稚的多能胚胎干细胞会以绿色出现，能在体内产生任何细胞类型，并在将胚胎植入子宫内膜之前存在于胚胎中。这些细胞包含一种称为TFAP2C的蛋白质，该蛋白质必须存在于细胞中才能使胚胎存活。如果在早期胚胎发育的关键阶段不存在TFAP2C，则可能会发生早期流产。该发现于2018年4月25日发表在《自然细胞生物学》杂志上，提供了有助于更好地预测不育或胚胎质量的基础知识。
他们从分析早期胚胎中的细胞开始。这些细胞是多能的，这意味着它们可以转化为人体中的任何细胞。
“多年来，研究人员一直认为人类多能性是一个单一的状态，”克拉克说。“但是，在过去的三年中，该领域发现人类多能性至少涉及两个主要状态，随着胚胎的生长，干细胞在进入妊娠的途中会通过这两个不同的多能性状态。”
人类胚胎受精后，在植入子宫内膜之前，胚胎中的细胞处于非常不成熟的多能状态，称为“幼稚”状态。对于幼稚状态知之甚少，但科学家认为，如果胚胎细胞不能首先进入该状态，则胚胎将无法存活，并且会发生流产。在胚胎植入期间，其细胞进入“启动”状态。初免的细胞已准备好分化为体内所有各种细胞类型。
“虽然没有人确切地知道为什么存在多能性的幼稚状态，或者是什么能帮助幼稚细胞在一段时间内保持这种状态，但它可能是提供一种保护机制，以防止胚胎细胞过快地分化，这将确保植入的时机是正确的，”克拉克说。
为了更好地理解什么有助于调节幼稚状态，研究人员比较了实验室创建的幼稚和初生胚胎干细胞的表观基因组变化。他们发现，两种细胞类型在其整个DNA中都具有不同的开放染色质序列。染色质由DNA和蛋白质组成，它们凝结形成细胞核内的染色体。
任何细胞类型内开放染色质的唯一序列均充当条形码。染色质开放区域中称为转录因子的基因调节蛋白会“扫描”条形码，然后与其结合，从而影响细胞的遗传活性。
“我们专门研究了开放的染色质，发现了一遍又一遍重复的幼稚胚胎干细胞特有的条形码，所以我们问什么转录因子可以识别该条形码，”克拉克说。
研究人员发现，称为TFAP2C的转录因子可识别条形码。为了更多地了解其特定作用，他们在实验室中使用了一种名为CRISPR-Cas9的基因编辑工具，从引发和幼稚的胚胎干细胞中删除了制造TFAP2C蛋白的基因。
他们发现该缺失对初免的干细胞没有影响。相反，当从幼稚干细胞中删除TFAP2C时，与幼稚状态相关的开放染色质区域关闭，幼稚干细胞进入启动状态。
该研究还揭示了约1500个开放染色质区域，这些区域对TFAP2C的丢失非常敏感，并表明在这些区域中有数百个与早期胚胎发育相关的基因。
克拉克说：“我们发现TFAP2C的存在标志着幼稚的多能性和启动状态之间的重要区别，并且TFAP2C是维持幼稚的多能性状态所必需的。”“我们还表明，如果没有TFAP2C，数百种基因将无法正确表达，这很可能会导致早期流产。”
此外，研究人员证实，在实验室创建的幼稚胚胎干细胞中存在的开放染色质区域也存在于与植入相关的阶段之前的胚胎中。
克拉克说：“我们的发现与人类发展的自然过程有关，因为它们与我们在人类植入前胚胎中看到的相吻合。”“这提供了我们鲜为人知的有关生命周期中某个时间的新信息。这样的基础知识可以帮助更好地预测不孕症或胚胎质量。”
这项研究还可能会导致医学领域的重要进步，而该领域在历史上一直是资金不足和未被重视的部分原因是，不育症有时被视为禁忌，并且因为它没有引起癌症等致命疾病的注意。
克拉克说：“经历不育和流产的人可能会告诉亲密的朋友或家人，但很多时候，这些问题没有得到讨论。”“但是，不孕症是一个严重的健康问题。它值得我们注意，作为一个社会，我们需要对此更加开放。”
多能干细胞研究得到了简·科芬儿童医学纪念基金会，中国奖学金委员会，国家儿童健康与人类发展研究所，澳大利亚国家健康与医学研究委员会，西尔维娅和查尔斯·维尔特尔高级医学研究奖学金的支持和霍华德·休斯医学研究所。UCLA广泛干细胞研究中心及其培训计划资助了人类胚胎研究。
出版物：William A.Pastor等人，“ TFAP2C通过打开增强子来调节人类幼稚多能性中的转录”，《自然细胞生物学》，第20卷，第553-564页（2018）doi：10.1038 / s41556-018-0089-0
