Cell Stem Cell
2024 年 9 月 24 日上线
Article 文章Marmoset and human trophoblast stem cells differ in signaling requirements and recapitulate divergent modes of trophoblast invasion
狨猴和人类滋养层干细胞的信号传导需求不同,并概括了滋养层入侵的不同模式
医学TOPSCI升级版 医学1区SCI基础版 生物1区IF 19.8 如果19.8Graphical abstract 图文摘要
Keywords 关键词
Introduction 介绍
胚胎植入和胎盘形成是真兽发育的标志。滋养层谱系介导这些关键任务,对于建立胚胎和母体组织之间的联系至关重要。 1
所有滋养层谱系均源自滋养外胚层,即哺乳动物植入前胚胎的外细胞层。 2 3 4 5植入时,滋养外胚层经历初级合胞化,形成附着并穿透子宫腔上皮的侵袭性细胞。 6 7在人类着床后发育的早期阶段,滋养外胚层分化为三个主要谱系:细胞滋养层、合体滋养层和绒毛外滋养层 (EVT)。细胞滋养层是一种未分化和增殖的细胞群,在人类中,它包围整个概念并产生多核合体滋养层和高度迁移的 EVT 细胞。 4 8初级合体滋养层是多核细胞,在胚胎附着时产生,形成用于营养交换的腔隙,并分泌绒毛膜促性腺激素(CGA 和 CGB)以维持妊娠。6 8 9 10 11 12 13 14 15 EVT细胞深入侵入子宫,在螺旋动脉重塑和免疫调节中发挥关键作用。4
滋养层发育和侵袭的异常对母体和胎儿的健康具有深远的影响。 16滋养细胞侵入不足可导致胎儿生长受限和先兆子痫, 17而滋养细胞侵入过度则会导致植入性胎盘谱系疾病。 16 18 19尽管胎盘对于健康妊娠结局非常重要,但由于无法获得早期人类植入后样本,控制人类滋养层侵袭深度和胎盘发育的分子机制仍然不清楚。
人类滋养层干细胞 (TSC) 20 21 22的衍生为描述细胞滋养层自我更新23和分化机制提供了重要工具。 24 25 26还可以通过转化生长因子 (TGF)-β/NODAL 和成纤维细胞生长因子 (FGF)/ERK 抑制从幼稚(植入前)多能干细胞 (PSC) 诱导滋养外胚层样特征。 25 27 28 29 30有趣的是,最近的研究表明,人类滋养层培养条件20不仅促进了幼稚 PSC 的滋养层样特性,而且促进了胚外中胚层 (ExMes) 样细胞类型,表明胚外谱系规范存在一定程度的重叠。 31
早期妊娠终止的罕见体内数据集为植入后发育提供了重要的见解, 32 33但来自植入周围和早期原肠胚阶段的滋养层样本仍然难以捉摸。因此,人类体内开发的早期植入后转录特征的缺乏阻碍了体外从初始 PSC 产生的 TSC 的验证。
非人类灵长类动物模型是研究早期植入后灵长类动物发育的有前景的平台。对普通狨猴、食蟹猴和恒河猴的体内研究阐明了控制早期植入后胚胎发育的分子框架。 34 35 36 37然而,滋养层的形成和胎盘的形成受到进化压力的影响,因此在不同的哺乳动物物种中存在差异。 7 11 13 15 38新世界猴、旧世界猴、猿和人类分别表现出越来越严重的滋养层侵袭。普通狨猴( Callithrix jacchus )(一种新世界猴)的胚胎在子宫中央腔进行浅层植入。与类人猿(猩猩、大猩猩、黑猩猩和人类)的间质着床相比,这种着床模式更浅、侵入性更小,胚胎深入子宫并被子宫内膜完全吞没。4 7 39 40 41我们之前提出,研究不同灵长类动物的胚胎植入可能提供一个模型来解决滋养层侵袭相关疾病。 13然而,来自新世界猴的 TSC 仍然难以捉摸。
在这里,我们研究了狨猴体内早期滋养层发育,以描述植入和早期侵袭对滋养层特性的影响,并建立了狨猴 TSC体外衍生的分子框架。我们确定了稳定植入周围和植入后早期滋养层特性的培养条件,并发现了 WNT 信号传导的人类特异性作用。狨猴 TSC 再现了初级合胞体形成和侵袭性 EVT 样分化,为滋养层谱系进展的调节因子提供了见解。我们的结果表明,狨猴 TSC 是捕捉灵长类滋养层发育进化差异的强大资源。
Results 结果
Marmoset trophoblast development in vivo
狨猴滋养层体内发育
我们最近通过空间胚胎分析阐明了狨猴的早期植入阶段。 34为了研究狨猴滋养层附着、侵袭和早期胎盘形成,我们对卡内基阶段 (CSs)5-7 34的标本进行了进一步分析,重点关注滋养层发育。在 CS5,极滋养外胚层(靠近内细胞团 [ICM])已粘附到子宫内膜衬里(主要植入部位)并开始分解管腔上皮(图 S1 A 和 S1B)。我们在主要植入部位附近发现了一个不连续的 KRT7+ 细胞滋养层,其中散布着分泌 CGB 的多核合体滋养层(图 1 A-1C 和S1 B)。细胞滋养层和合体滋养层均呈 AP2γ ( TFAP2C ) 阳性,其中合体滋养层表达的 AP2γ 水平最高(图 1 B、1C 和S1 B)。 AP2γ+滋养层的厚度和密度仅从CS5(6-100μm宽)到CS7(6-135μm宽)略有增加(图1B 、1C、 S1B和S1C),表明滋养层增殖最小或植入后立即发生侵袭。相比之下,人类早期着床后滋养层增殖迅速,厚度从CS5时的3-90μm增加到CS7时的160-830μm。42

Figure 1. Postimplantation marmoset trophoblast exhibits shallow invasion
图1 。着床后狨猴滋养层表现出浅层侵袭
(A) CS7 狨猴初级 (1°) 和次级 (2°) 植入位点的免疫荧光 (IF) 染色。平铺扫描图像由采集软件自动合并。
(B) (A) 的扩展视图。比例尺为 200 μm。
(C) CS5 植入部位的 IF。比例尺为 100 μm。
(D) 双胚胎管腔滋养层之间接触点的 IF。
(E) (D) 的扩展视图。比例尺为 50 μm。
(F) 滋养层谱系的 UMAP 图。 Tb_CS3:滋养外胚层; Tb_CS5、Tb_CS6 和 Tb_CS7:植入后胚胎滋养层; Tb_abembryonic:植入后胚胎滋养层。
(G) (F) 中的 UMAP 图显示归一化的对数表达。
(H) 滋养外胚层 (Tb_CS3) 和植入后滋养层 (Tb_Post) 之间差异表达基因 (DEG) 的 MA 图。
(I) 滋养层谱系中标准化 mRNA 计数的小提琴图。
在 CS5 时,壁滋养外胚层(胚胎滋养层,远离 ICM)扩张至 2 毫米以填充子宫腔,并与相对的子宫壁形成松散接触(图 S1 A 和 S1B)。到CS6时,附着的壁滋养外胚层突破管腔上皮,并在与胚胎相对的子宫壁上建立了二次植入位点(图1A和1B)。 AP2γ+合体滋养层出现在CS7的二次植入部位(14μm宽),但比初次植入部位(35μm宽)更薄(图S1C和S1D)。 11 34在大多数旧世界和新世界猴中,包括狨猴,子宫内膜上皮会被重塑,在植入部位形成上皮斑块。 7 11 34 43 44这一过程在类人猿中没有观察到,但已与人类的蜕膜化进行了比较。10 43有趣的是,初级和次级胚胎植入均诱导了广泛的上皮斑块反应,将 SOX17+ 子宫内膜腺体转化为圆形、密集的 KRT7+、SOX17− 上皮斑细胞簇(图 1 A-1C)。
在初次和二次植入位点之外,在整个 CS5-7 期间,壁滋养外胚层保持不附着。与未附着的滋养层相邻的管腔上皮保持其柱状形态(图1B )。我们将这种独立的植入后滋养层称为管腔滋养层。在一个双胎妊娠的标本中,我们能够获得两个植入囊胚之间边界的横截面(图 1D和 1E)。管腔滋养层由 AP2γ+/KRT7+ 上皮细胞组成,这些细胞与管腔滋养层内衬的 PDGFRα+/AP2γ−/KRT7− ExMes 明显区分(图 1 E)。
植入前到植入后转变的转录组分析表明,滋养外胚层样品与植入后滋养层分离(图1F )。对植入后滋养层簇的检查表明,随着发育时间的推移,没有明显的亚簇(图 1 F)。我们发现NOTO 、 JAM2和FABP3在滋养外胚层中富集,而植入后滋养层样本主要上调MLLT1 、 PRR9 、 CGB3和CGA (图1G 和 1H)。对植入前到植入后过渡的基因本体 (GO) 术语分析显示 WNT 信号传导和基底膜组织存在差异(图 S1 E)。
为了识别植入后滋养层谱系,我们根据滋养层样本的位置和转录组特征对滋养层样本进行了注释(参见STAR 方法)。我们分析了空间上不同的滋养层谱系:滋养外胚层(囊胚的植入前滋养层)、胚胎滋养层(植入后,在初次植入部位附着的滋养层)、胚胎滋养层(植入后,在二次植入部位附着的滋养层)和管腔滋养层(植入后,未附着的滋养层)(图 1 I 和S1 F–S1H)。核心滋养层因子GATA2 、 GATA3和KRT7在所有滋养层谱系中均有表达(图 1 I)。狨猴滋养外胚层表达低水平的多能性标记物POU5F1 、 SOX2和NANOG ,这些标记物在所有植入后滋养层样本中均急剧下调(图 1 I)。相反,合体滋养层相关基因(例如CGA和CGB3)在植入时上调(图 1H和 1I)。 23人细胞滋养层相关转录物MSX2和OVOL1在管腔滋养层中最高(图 1 I 和S1 H)。 胚胎滋养层样本表达几乎所有植入后标记,包括MLLT1 、 NR2F2 、 CGA和CGB3 ,尽管水平低于胚胎滋养层(图 1 I 和S1 F)。这一观察结果与二次植入部位滋养层侵袭的延迟一致(图 1A和 1B)。细胞滋养层和合体滋养层的分散性质使得很难区分这两个谱系。为了克服这一挑战,我们对胚胎滋养层进行了进一步的层次聚类,揭示了两个密切相关的细胞群(图S1 I)。两个簇之间的差异表达分析将其鉴定为细胞滋养层(KRT7+、CDH1+)和合体滋养层(CGB3+、MLLT1+)(图S1 J)。
我们得出的结论是,狨猴滋养外胚层表达残留水平的核心多能性因子,这些因子在植入后消失。植入后滋养层在植入位点产生不连续的 AP2γ ( TFAP2C )+/KRT7+ 细胞滋养层和合胞体层,可以通过转录因子MLLT1 、 MSX2和OVOL1以及妊娠激素CGA和CGB3轻松划分。
Marmoset cells differentiate to ExMes in OK conditions
狨猴细胞在正常条件下分化为 ExMes
为了研究狨猴滋养层在植入后的发育轨迹,我们试图建立植入前后滋养层的体外模型。人类初始 PSC 可分化为胚胎外谱系,包括滋养层、下胚层和 ExMes。 25 27 28 29 30 31 45人 TSC (OK) 培养基中 WNT/EGF 的激活和 TGF-β/HDAC/ROCK 的抑制20可促进初始人 PSC 的滋养层样状态。 25 28我们最近报道了植入前外胚层样狨猴幼稚 PSC 的建立。 34为了检查人滋养层条件是否可以从初始 PSC 生成狨猴 TSC,我们将培养条件切换为人滋养层 (OK) 培养基20 (图 2 A)。 第 5 天时,大多数圆顶形初始 PSC 集落变平为具有不同形态的上皮集落(图 2 B 和S2 A)。到第 2 代时,圆顶形集落消失,形成扁平上皮集落(狨猴 OK 细胞)的均质培养物,表达滋养层标记物,包括 CDX2 和TFAP2C ,并下调核心多能性因子 OCT4(图2C、2D 和S2 B)。然而,狨猴 OK 细胞缺乏核心滋养层标志物的表达,包括GATA2 、 GATA3和CGA 。此外,我们观察到下胚层和 ExMes 谱系标记GATA6和PDGFRα的上调(图 S2 B)。体内狨猴胚胎的免疫荧光显示 ExMes 中 PDGFRα 和 CDH11 的专有表达(图 1 E 和2 E)。 34狨猴 OK 细胞表达 PDGFRα 和 CDH11,但缺乏 KRT7 表达,与人 OK TSC 20不同(图2F 和 2G)。这些发现表明狨猴 OK 细胞表现出 ExMes 的特征。

Figure 2. Human TSC culture conditions induce ExMes in marmoset naive PSCs
图2 .人类 TSC 培养条件在狨猴幼稚 PSC 中诱导 ExMes
(A) 幼稚狨猴 PSC 在正常条件下分化的示意图。
(B) 幼稚狨猴 PSC 的相差图像。
(C) 第 2 代 OK 衍生细胞的相差图像。
(D) PSC 和第 2 代 OK 衍生细胞的 IF。比例尺为 50 μm。
(E–G) (E)体内CS5 植入狨猴胚胎的 IF 和 (F 和 G) OK 分化的狨猴和人类细胞。比例尺为 100 μm(E 和 F)和 200 μm(G)。
(H)体内狨猴数据集和体外细胞的 PCA。 EPI,植入前外胚层; HYPO,下胚层; EmDisc,胚胎盘; VE,内脏内胚层。
(I 和 J)体内和体外谱系标准化表达的小提琴图。
(K) 狨猴幼稚 PSC 和 OK 细胞与胚胎的空间同一性图谱。
为了进一步探究狨猴 OK 细胞的发育特性,我们进行了全长单细胞转录组分析,并将 OK 细胞整合到我们更新的狨猴胚胎数据集中(图 1 )。 34 46全局降维方法显示 OK 细胞与植入后 ExMes 细胞聚类最接近(图 2 H 和S2 C)。全局相关性分析表明,狨猴 OK 细胞与 CS6 的 ExMes 具有最高的相似性,并表达已知的人类 ExMes 标记(图 S2D和 S2E)。 31与 RT-qPCR 数据一致,与体内植入前和植入后滋养层谱系相比,OK 细胞表达低水平的滋养层标记物TFAP2C和KRT7 (图 2 I)。值得注意的是, CDX2在滋养外胚层和 ExMe 中均高度表达。 OK 细胞上调CDX2和各种其他 ExMes 标记物,包括CDH11 、 GATA6和VIM (图 2I和 2J)。为了建立 OK 单细胞转录组与胚胎的区域相关性,我们对胚胎进行了空间同一性映射(图 2 K)。 如先前报道,幼稚 PSC 与植入前外胚层相关。 34相比之下,OK 细胞在 CS5 和 CS6 处与植入后 ExMe 表现出最高的空间相关性得分(图 2 K)。这些结果与最近的发现一致,即人类初始 PSC 在正常条件下可以产生滋养层和 ExMe。 31有趣的是,少数 OK 细胞与植入后滋养层紧密聚集(图 2 H)。为了确定 OK 条件是否在幼稚狨猴细胞的早期分化过程中促进滋养层表型,我们在 OK 分化的前 18 天监测了 KRT7 的表达(图 S2 F 和 S2G)。我们观察到,在第 12 天时出现了小型 KRT7+ 亚群,这些亚群在成熟的 OK 培养物(第 50 天以上)中消失了(图 S2 F 和 S2G)。因此,人类 OK TSC 培养基不允许从狨猴中的幼稚 PSC 直接衍生 TSC,而是促进 ExMes 谱系进入。
Combined WNT, NODAL, and FGF/ERK inhibition is required for marmoset TSCs
狨猴 TSC 需要结合 WNT、NODAL 和 FGF/ERK 抑制
人 OK TSC 培养基刺激 WNT 和 EGF 信号传导并抑制 TGF-β/NODAL 信号传导。 20 22此外,在缺乏 WNT 刺激的情况下,通过抑制 FGF/ERK 和 TGF-β/NODAL 信号传导,可以很容易地在人初始 PSC 中诱导滋养外胚层命运。 27 29在胚胎中,我们观察到狨猴滋养层发育的植入前到植入后转变过程中 WNT 信号传导的动态变化(图 S1 E)。为了确定滋养层身份的信号传导要求,我们在从灭活的小鼠胚胎成纤维细胞 (MEF) 上的幼稚 PSC 衍生狨猴 TSC 的过程中,在 OK 培养基中调节 WNT 和 FGF/ERK(图 3 A)。使用 WNT 抑制剂 XAV939(OK XAV)、使用 FGF/ERK 抑制剂 PD0325901(OK PD)以及使用 WNT 和 FGF/ERK 抑制(OK XAV PD)均能在 5 天后诱导初始 PSC 的扁平化和上皮化(图 3 B)。免疫细胞化学显示 OK XAV 保留了一部分 OCT4+ 细胞,并且缺乏 KRT7 表达(图 3C 、 S3A和 S3B)。 OK PD 有效下调 OCT4 并轻度上调 KRT7(图 3C 、 S3A和 S3B),表明丝裂原激活蛋白激酶激酶 (MEK) 抑制部分抑制 ExMes 分化。 OK XAV PD 表现出高水平的 KRT7,表达 CDX2,并且 OCT4 呈阴性(图 3C 、 S3A和 S3B)。考虑到KRT7在体内的滋养层中强烈表达,我们决定进一步研究OK XAV PD细胞。

Figure 3. Additional WNT and FGF/ERK inhibition stabilizes postimplantation trophoblast identity in marmoset
图3 .额外的 WNT 和 FGF/ERK 抑制可稳定狨猴植入后滋养层的特性
(A) 不同 OK 条件下幼稚狨猴 PSC 分化的示意图。
(B) 在指定条件下第 2 代的初始 PSC 和分化细胞的相差图像。比例尺为 100 μm。
(C) 狨猴细胞在指定条件下的 IF。
(D) 在 MEF 上培养的第 2 代 OK 和 OK XAV PD 衍生细胞的 IF。 MEF 组成型表达 PDGFRα。
(E) 狨猴后 TSC 到胚胎的空间同一性映射。
(F)体内狨猴数据集和体外细胞的 PCA。 EPI,植入前外胚层; HYPO,下胚层; EmDisc,胚胎盘; VE,内脏内胚层。
(G)体内和体外谱系标准化表达的小提琴图。
(H) 使用毛喉素进行 TSC 分化后的 IF。
(I) 多核细胞频率的量化。每个点代表一个帧,其中计算了多核细胞与单核细胞的比例。使用双尾曼-惠特尼检验计算显着性。 n = 3。误差线代表平均值 + SD ( * p ≤ 0.05)。 FK,毛喉素。
(J) 带有核 GFP(红色)和结合 F-肌动蛋白的 LifeACT(绿色)的标记狨猴 TSC 的实时成像。每 30 分钟拍摄一次图像。
狨猴 OK XAV PD 细胞可以稳定维持至少 14 代,并且很容易在第二个独立的狨猴 PSC 系中建立(图 S3 C)。与 OK 细胞相反,OK XAV PD 细胞不表达 ExMes 标记物 PDGFRα,并上调滋养层标记物 AP2γ ( TFAP2C )(图 3D )。因此,OK XAV PD 细胞重现了 TSC 的特征,表现出长期自我更新能力和人类 TSC 和狨猴细胞滋养层特有的谱系标记表达。
为了评估 OK XAV PD 细胞发育的真实性,我们进行了单细胞转录组分析。空间同一性图谱和整合分析表明,OK XAV PD 细胞与 ExMe 不对应,但与狨猴胚胎中的植入后滋养层最相似(图3E、3F 和S3D )。因此,我们将 OK XAV PD 细胞称为植入后 TSC(postTSC)。值得注意的是,ExMes相关基因,包括CDH11 、 GATA6和VIM ,在后TSC中消失,而滋养层因子KRT7和TFAP2C的表达水平与狨猴植入后滋养层相同(图3G )。与 OK 细胞、ExMes 和植入前滋养层(滋养外胚层)相比, CDX2水平降低,但与植入后滋养层相似。相关分析表明,狨猴后 TSC 对应于 CS6 处的植入后滋养层(图 S3 E),与人类 TSC 相似。 23 47
滋养层细胞的一个明确标志是它们形成合体滋养层的能力。 3 38 48人类 TSC 在毛喉素的环 AMP (cAMP) 刺激下能够分化为多核合胞体。 20同样,狨猴 TSC 后在毛喉素存在下形成多核囊肿(图 3 H 和 3I)。低细胞密度也促进合胞体形成(图 3 I 和S3 F)。此外,狨猴合体滋养层基因在已测序的 postTSC 子集中富集,表明 postTSC 中有合体滋养层分化的倾向(图 S3 G)。为了确定多核合胞体在体外形成的机制,我们通过活细胞成像追踪合胞体的形成。我们生成了核 GFP 和 F-肌动蛋白 mCherry 标记的 PSC(核定位序列 (NLS)-GFP LIFEACT)和衍生的狨猴 postTSC。延时成像显示狨猴后 TSC 主要通过核内复制形成合胞体(图 3 J 和S3 H;视频 S1 ),其中发生有丝分裂而没有胞质分裂。 在极少数情况下,细胞会包围另一个细胞的细胞核,这表明在狨猴合胞体形成过程中也可能发生细胞融合(图S3 I)。
Video S1. postTSCs form syncytium by endoreduplication, related to Figures 3J, S3H, and S3I. Live IF imaging of marmoset postTSCs tagged with GFP with a nuclear localisation tag (red) and stained with F-actin binding LifeACT (green).
我们得出的结论是,狨猴后TSCs与体内早期植入后滋养层非常相似,能够长期自我更新,并产生合体滋养层。
PAVS stabilizes a periimplantation trophectoderm-like state
PAVS 稳定植入周围滋养外胚层样状态
人类初始 PSC 在 FGF/ERK 和 TGF-β/NODAL 抑制后能够分化为滋养外胚层样细胞。 27 29为了测试发育早期、植入前滋养外胚层样状态是否可以稳定,我们在含有 MEK 抑制剂 PD0325901、两种 TGF-β/NODAL 抑制剂(A83-01 和 SB431542)和丙戊酸( VPA),称为 PAVS(图 4 A)。 PAVS 培养基中的初始 PSC 分化为扁平的上皮集落,可以在 MEF 上持续培养超过 15 代(图 4 B)。免疫荧光显示,在不存在 OCT4 的情况下,在 PAVS 培养基中培养的细胞表达高水平的滋养层标记物 KRT7、CDX2 和 GATA3(图 4C和 4D)。与该滋养层谱系标记谱一致,PAVS 培养物偶尔会形成表达合体滋养层标记 CGB 的多核合胞体(图 S4 A)。我们在第二个独立的狨猴 PSC 系中证实了 PAVS 培养基中滋养层的诱导。

Figure 4. PAVS promotes a periimplantation trophoblast phenotype
图4 . PAVS 促进植入周围滋养层表型
(A) 幼稚狨猴 PSC 在 PAVS 中分化的示意图。
(B) PAVS 中第 5 天和第 15 代时幼稚 PSC 和分化细胞的相差图像。比例尺为 100 μm。
(C) 狨猴细胞在指定条件下的 IF。比例尺为 100 μm。
(D) PAVS 中多核细胞的 IF。比例尺为 100 μm。
(E)体内狨猴数据集和体外细胞的 PCA。 EPI,植入前外胚层; HYPO,下胚层; EmDisc,胚胎盘; VE,内脏内胚层。
(F) 狨猴 periTSC 到胚胎的空间同一性映射。
(G)体内和体外谱系标准化表达的小提琴图。
(H) 小鼠胚胎和狨猴 periTSC 的跨物种嵌合体示意图。
(I) E4.5 嵌合小鼠胚胎与标记的 periTSC 聚集的 IF。比例尺为 50 μm。
(J) 嵌合小鼠胚胎中 periTSC 谱系贡献的量化 ( n = 44)。从 7 只不同的小鼠身上收集胚胎。
(K) 与体内植入后滋养层和胚胎盘相比,periTSC 和引发的 PSC 中 ELF5 基因座的相对甲基化。
(L) 在 2D 培养中自发形成球体的 periTSC 的相差图像。
(M 和 N) periTSC 球体的 IF。 F-肌动蛋白染色:鬼笔环肽。 LAM,层粘连蛋白。比例尺为 50 μm (M) 和 100 μm (N)。
微绒毛是狨猴植入前滋养层的特征,被认为在灵长类动物胚胎植入中发挥重要作用。 6 7 PAVS 细胞的扫描电子显微镜显示广泛的微绒毛形成,而初始 PSC 未形成微绒毛(图 S4 B)。对细胞集落边缘的检查表明,微绒毛仅限于顶端表面,正如在植入灵长类动物胚胎时观察到的那样(图 S4 B)。 6 7
为了在转录组水平评估 PAVS 衍生的 TSC 的发育特性,我们进行了单细胞分析并将 PAVS 细胞映射到空间转录组胚胎数据集。主成分分析 (PCA) 将 PAVS 细胞置于滋养外胚层和早期植入后滋养层样本之间(图 4 E)。空间同一性图谱显示与滋养外胚层的相关性最高,与植入后滋养层的相关性较低(图4F )。均匀流形近似和投影 (UMAP) 显示了类似的结果,一些 PAVS 细胞与滋养外胚层在 CS3 处聚集(图 S4 C)。全局相关性分析将 PAVS 细胞置于滋养外胚层,而后 TSC 与植入后滋养层的相关性更密切(图 S4 D)。因此,我们将 PAVS TSC 注释为植入周围滋养层样 TSC(periTSC)。 periTSC 缺乏 ExMes 相关转录本的表达,并显示出强大的滋养层基因表达(图 S4 E)。重要的是,与 postTSC 和 OK 细胞相比,periTSC 上调了植入前特异性 mRNA,包括NOTO 、 MIOX和FABP3 (图 4 G)。为了检查 periTSC 是否能够促进滋养外胚层,我们用小鼠胚胎和狨猴 periTSC 生成了跨物种聚集嵌合体(图 4 H)。 periTSC 专门对滋养外胚层做出贡献,总体效率为 27%(完全和部分滋养外胚层贡献分别为 13.5% 和 13.5%)(图 4 I、4J、 S4 F 和 S4G)。
与引发的 PSC 和体细胞谱系相比,人类 TSC 表现出较低的整体 DNA 甲基化水平。 20人们对狨猴植入前和植入后发育中的甲基化动态知之甚少。因此,我们生成了狨猴体内植入后滋养层和胚胎盘的单细胞亚硫酸氢盐测序样本。此外,我们对体外狨猴幼稚 PSC、引发的 PSC 和 periTSC 的大量群体进行了亚硫酸氢盐测序。总体 CpG 甲基化水平在初始 PSC 中最低,在引发 PSC 中最高(图 S4 H),与报道的人类初始和引发多能状态之间的差异一致。与引发的 PSC 相比, 49 50 个periTSC 表现出略低的 DNA 甲基化水平和ELF5启动子区域的特征性低甲基化,与体内观察到的植入后滋养层和胚盘之间的动态一致(图 4 K、 S4 H 和 S4I)。 51有趣的是,在幼稚 PSC 中也观察到ELF5低甲基化,这表明一些滋养层因子在植入前外胚层中仍未甲基化(图 S4 J)。 体内滋养层和 periTSC 的特征性滋养层基因(例如KRT7 )表现出相似的低甲基化模式(图 S4 K)。为了研究滋养层特异性甲基化特征,我们确定了幼稚 PSC 与 periTSC 中的差异甲基化基因。 periTSC 表现出较高的多能性因子POU5F1 、 NANOG和KLF17甲基化水平(图 S4 I)。 SMAD2和羊膜特异性基因VTCN1在 periTSC 中的甲基化程度也更高(图 S4 I), 52 53 54 55表明外胚层和羊膜相关转录物的滋养层特异性 DNA 甲基化。
人类和非人类灵长类动物 PSC 具有分化为羊膜的潜力。 34 53 54 56 57 58狨猴羊膜在体内表现出平坦的鳞状上皮形态,并表达多种滋养层相关基因,包括TFAP2C和GATA2 。 34为了确定 periTSC 或 postTSC 是否表达羊膜的分子特征,我们提取了一组可在体内区分羊膜和滋养层的全面标记物(图 S4 M)。 periTSC 和 postTSC 均表达大部分滋养层相关基因,缺乏羊膜相关转录本,包括VTCN1和POU5F1 (图 S4 L),与之前的全局降维方法一致(图 3 F、 4 E、 S3 D 和S4 C) )。免疫荧光证实 periTSC 在蛋白质水平上不表达 VTCN1(图 S4 M)。 添加骨形态发生蛋白 4 (BMP4) 可诱导 VTCN1 表达(图 S4 M),这与报道的 BMP 信号传导对羊膜形成的作用一致。34 53 54 56 57
我们观察到,当以较高密度传代或培养时,periTSC 形成自由漂浮的囊泡,可以在悬滴中维持至少 5 天(图 4 L 和S4 O)。 periTSC 囊泡的免疫细胞化学显示滋养外胚层标记物 GATA3 的强劲表达(图 4 M)。 EZRIN和F-肌动蛋白定位于periTSC囊泡的外膜,这表明periTSC衍生的滋养层球体(Tb球体)表现出面向外的顶端结构域,类似于囊胚的滋养外胚层(图4M )。与此结果一致,在 POU5F1−/AP2γ+/ZO1+ Tb 球体的内膜上发现了层粘连蛋白(图 4 N)。
我们得出的结论是,PAVS 诱导植入周围滋养外胚层样 TSC 状态,根据转录组和甲基化组分析、对小鼠囊胚滋养外胚层的嵌合贡献以及自发合胞体和滋养外胚层样球体形成确定。
CDX2 overrides naive and primed self-renewing culture conditions
CDX2超越幼稚和启动的自我更新培养条件
在小鼠中,CDX2 通过抑制多能因子诱导滋养层谱系进入。 59 60 61特别是,CDX2 介导的Pou5f1 (OCT4) 下调是小鼠滋养外胚层分化过程中的关键节点。 59为了检查滋养外胚层转录程序对狨猴多能性的影响,我们通过 PiggyBac 转座生成了强力霉素诱导的CDX2过表达 PSC 系(图 5 A、 S5 A 和 S5B)。即使在自我更新的幼稚 PSC 培养条件下, CDX2在幼稚 PSC 中过表达 2 代也能促进滋养层身份(图 5 A 和 5B)。在初始培养条件下过表达CDX2 的PSC 表现出与 periTSC 相似的形态,并且在第 3 代之后仍保持 CDX2 过表达(图 5A和 5B)。值得注意的是,在初始 PSC 培养条件下,OCT4 在CDX2过表达细胞中下调(图 S5 C)。这表明 CDX2 诱导消除了狨猴 PSC 中的 OCT4 表达。

Figure 5. OCT4 does not inhibit trophoblast formation in the marmoset
图5 . OCT4 不抑制狨猴滋养层形成
(A) 幼稚狨猴 PSC 中 CDX2 过表达 2 代的示意图。
(B) 幼稚 PSC 中 CDX2 过表达的 IF。比例尺为 50 μm。
(C) 已引发的狨猴 PSC 中 CDX2 过表达 2 代的示意图。
(D) 引发的 PSC 中 CDX2 过表达的 IF。比例尺为 50 μm。
(E) 植入前狨猴谱系中标准化表达的小提琴图。
(F) 第 3 天 PAVS 分化细胞的 IF。
(G) 在初始培养基 (PLAXA) 中培养的初始 PSC 中 OCT4 过表达的示意图。除非另有说明,过表达维持2代。
(H) 过表达特异性 OCT4 表达的 qPCR。
(I) 来自第 3 代过表达初始 PSC 的 OCT4 的 PAVS 分化细胞的相差图像。过表达维持了 3 代。
(J) 在指定条件下 PSC 和 periTSC 中 OCT4 过表达的 IF。
(K) (J) 中 CDX2+ 细胞的定量。阈值由 PSC 中 CDX2 表达标准差的 2 倍确定。使用 Kruskal-Wallis 和 Dunn 多重比较检验计算显着性。 n = 2。( * p < 0.05。)。
(L) 来自 OCT4 的 IF PAVS 衍生细胞在第 2 代过表达初始 PSC。
所有比例尺(B 和 D 除外)均为 100 μm。
为了测试 CDX2 是否可以促进启动(植入后样)多能性中的滋养层样表型,我们评估了自我更新启动 PSC 培养条件(敲除血清替代物 [KSR]/碱性 FGF [bFGF])中的CDX2过表达(图 5 C)和S5 D)。致敏细胞中 CDX2 过度表达导致 OCT4 表达和分化减少(图 5D )。然而,DOX+ 细胞仍然是 KRT7−,表明分化为其他谱系(图 5D )。 KSR/bFGF 中CDX2过表达 PSC 的子集表达 TBXT+,这可能表明获得了原条状中胚层细胞身份(图 S5 E)。 34 36 62我们得出的结论是,CDX2 会否决多能性维持条件,并促进幼稚但未启动的狨猴 PSC 中的滋养层样身份。
POU5F1 does not restrict marmoset trophoblast differentiation in vitro
POU5F1不限制狨猴滋养细胞体外分化
对植入前和植入后特异性滋养层特征的分析(图1 )确定狨猴体内滋养外胚层中存在多能因子,包括POU5F1 (图5E和S5F )。这与小鼠相反,小鼠的滋养外胚层中的Pou5f1 (OCT4) 快速下调。 63因此,我们着手研究POU5F1在狨猴滋养层分化中的作用。为了阐明 TSC 衍生过程中的POU5F1动态,我们在 periTSC 与初始 PSC 分化期间的第 3 天进行了谱系标记分析。 SOX2 在大多数细胞中下调;然而,OCT4 存在于所有细胞中,包括早期 GATA3+ 和 KRT7+ 滋养层细胞(图5F 和S5H -S5J)。图像量化显示 OCT4 和 GATA3 表达之间没有反相关性 (R = 0.1066)(图 S5 J)。同样,CDX2 在 OCT4+ 细胞的子集中开始上调(图 S5 G)。为了测试POU5F1上调和持续表达是否会阻止分化为滋养层样细胞,我们生成了狨猴强力霉素诱导的POU5F1过表达 PSC(图 5 G)。 我们确认了在存在和不存在强力霉素(DOX+/-)的情况下对POU5F1转基因(图5H)和衍生的 periTSC 的严格控制(图5I 和 5J)。在缺乏 DOX (DOX−) 的情况下, POU5F1诱导型幼稚 PSC 转化为 KRT7+/CDX2+/POU5F1− periTSC(图 5 J),与野生型细胞类似(图 4 C)。在 PAVS 中存在 DOX (DOX+) 的情况下传代 2 代, POU5F1诱导的幼稚 PSC 同样变平,获得滋养层样形态,并且可以轻松繁殖(图 5 I)。持续的POU5F1表达不会干扰滋养层标记物 KRT7、GATA3 和 CDX2 的稳健表达(图 5 J-5L)。我们得出结论, POU5F1在体外不会抑制滋养层特异性基因表达。
Marmoset TSCs recapitulate features of superficial attachment
狨猴 TSC 再现了表面附着的特征
滋养外胚层的核心功能是形成能够植入的囊泡。我们之前建立了一个微流体工作流程,将 PSC 封装到单分散琼脂糖微凝胶中。 54 64 65为了建立滋养层侵入 Tb 球体的平台,我们将狨猴 periTSC 或人类 OK TSC 封装在琼脂糖微凝胶中(图 6 A、6B 和S6 A)。从第 3 天开始,狨猴 periTSC 和人类 OK TSC 20在琼脂糖凝胶中形成 Tb 球体,并继续扩大,导致许多结构在第 5 天从微凝胶中逸出(图 6 B)。狨猴和人类 Tb 球体强烈表达滋养层标记 CDX2 和 AP2γ,但缺乏多能因子 SOX2(图 6 C 和S6 B)。

Figure 6. Marmoset TSCs recapitulate characteristics of superficial implantation and early invasion
图6 .狨猴 TSC 再现了浅表植入和早期侵袭的特征
(A) 通过封装形成 Tb 球体的示意图。
(B) 第 3 天和第 5 天时封装的狨猴 Tb 球体的相差图像。逃逸:已从琼脂糖微凝胶中脱离并在悬浮液中生长的结构。比例尺为 50 μm。
(C) 第 3 天狨猴 Tb 球体的 IF。F-肌动蛋白染色:鬼笔环肽。比例尺为 50 μm。
(D) Tb 球体附着测定示意图。
(E) 基质胶床上附着的狨猴 Tb 球体的 IF。比例尺为 50 μm。
(F) NLS-GFP 和 LifeACT(肌动蛋白染色)在胶原蛋白包被表面上过表达 Tb 球体的 IF。比例尺为 50 μm。
(G) 将已涂底狨猴 PSC 和 postTSC 球体附着在基质胶涂层表面上的 IF。比例尺为 50 μm。
(H) 释放到不同厚度的 ECM 上的 Tb 球体示意图。
(I) 狨猴 Tb 球体附着在不同厚度的凝胶上的 IF。比例尺为 50 μm。
(J) 人类 EVT 条件下 TSC 分化的示意图。 LAM,层粘连蛋白。
(K) periTSC (PAVS) 和 postTSC (OK XAV PD) 在人类 EVT 条件下分化 6 天的相差图像。比例尺为 100 μm。
(L) 人类 EVT 分化前后 periTSC (PAVS) 的 IF。比例尺为 100 μm。
为了评估狨猴 Tb 球体的体外植入,我们允许球体从微凝胶释放后附着在基质胶床上(图 6D )。狨猴 Tb 球体保持规则的球形形状和扩张的管腔(图 6 E、 S6 D 和 S6E),与狨猴胚胎的浅表植入模式一致(图 1 A),囊胚扩张以填充子宫腔。相比之下,人类 Tb 球体表现出不规则且扁平的形态(图 S6 C-S6E)。这些发现表明狨猴 TSC 概括了浅表附着的一些形态学方面(图 S6 F)。
灵长类滋养外胚层在体内与子宫上皮接触后分化为初级合胞体。 13为了评估 Tb 球体在附着后重现初级合胞体形成的能力,将 Tb 球体转移到贴壁培养条件下。 Tb 球体在与薄层基质胶或胶原 IV 接触后形成多核合胞体(图 6F 、6G 和S6G )。我们通过铺板狨猴引发的 PSC 衍生球体来确认合胞体形成对 TSC 具有特异性,该球体不会产生多核细胞(图 6 G)。值得注意的是,Tb 球体附着在较厚的基质胶或胶原 IV 床上并没有形成合胞体(图 6H和 6I),这表明基质硬度可能在调节初级合胞体形成中发挥作用。
迁移性 EVT 分化对于胎盘期间的免疫、子宫内膜和血管重塑至关重要。尽管与人类相比,狨猴的滋养层侵袭显着延迟,但在狨猴体内的子宫内膜和子宫胎盘动脉中观察到了迁移的滋养层细胞。 41为了检查狨猴 TSC 是否能够分化为侵袭性滋养层,我们在人类 EVT 条件下培养 periTSC 和 postTSC 20 (图 6 J)。补充 NRG1 和 ECM 以及抑制 TGF-β/NODAL 可在第 6 天强烈诱导上皮间质转化和 EVT 标记物 MMP2 的表达,类似于人类 EVT 分化(图 6K 、6L 和S6 I-S6K)。人类 EVT 标记 HLA-G 在狨猴中表现出非常有限的保守性(图 S6 H)。 66 67为了确定狨猴 EVT 样细胞的迁移潜力,我们进行了 Transwell 迁移测定。狨猴 EVT 分化增加了迁徙行为,类似于人类的 EVT 分化(图 S6 L)。这一结果表明,人类和狨猴中 EVT 规范至少部分保留。
总之,这些实验表明,狨猴 periTSC 经历表面附着,形成初级合胞体,并且能够进行 EVT 分化,从而概括了新世界猴滋养层发育的重要方面。
WNT stimulation is required to suppress spontaneous EVT differentiation in human
抑制人类自发 EVT 分化需要 WNT 刺激
FGF/ERK 和 TGF-β/NODAL 抑制是人类 TSC 和狨猴 periTSC 培养条件不可或缺的一部分(图 3 A-3C)。 27 29为了测试狨猴 periTSC 培养方案是否可以诱导人类滋养层身份,我们在 PAVS 条件下培养了初始人类 PSC 49 68 。 PAVS 在 3 天内诱导出易于传代的扁平上皮样细胞(图 7 A)。人 PAVS 集落表达 KRT7 和 AP2γ ( TFAP2C )(图 7 B),表明 PAVS 条件促进人幼稚 PSC 在早期传代时形成滋养层样状态。然而,经过三到五次传代后,小细胞群逐渐获得间质、纺锤形形态(图7C )。谱系标记分析显示,第 5 代人 PAVS 培养物中的纺锤形细胞表达 EVT 标记 HLA-G(图 7D )。这一结果表明人滋养层样 PAVS 细胞逐渐分化为 EVT 谱系。

Figure 7. WNT activation prevents EVT differentiation in human PAVS
图 7 . WNT 激活可防止人类 PAVS 中的 EVT 分化
(A) 原始人类 PSC 在 PAVS 中分化直至第 3 代的相差图像。
(B) 指定条件下滋养层标记物的 IF。
(C) 第 5 代人类 PAVS 的相差图像。
(D) 在所示条件下滋养层分化标记物的 IF。
(E) 人类、狨猴和食蟹猴的跨物种扩散图分析。 TE,滋养外胚层; CTB,细胞滋养层; STB,合体滋养层; EVT,绒毛外滋养层。
(F) 胚胎外狨猴谱系以及重塑和天然子宫内膜组织中标准化表达的小提琴图。 reGland:重塑腺体; reStroma:重塑的基质。
(G) 显着丰富的信号通路的基因本体术语。
(H 和 I) 在指定条件下分化 (H) 5 天或 (I) 在指定条件下第 5 代分化的原始人类 PSC 的相差图像。
(J) 不同传代的人类 PSC 和 TSC 中谱系标记的 qPCR。使用Z分数按行对表达值进行归一化。 PXGL,幼稚 PSC; PAVS、TSC; P2,第 2 段; P5,第 5 段; Epi,外胚层; Am,羊膜; TE,滋养外胚层; TB,一般滋养层标志物; STB,合体滋养层; EVT,绒毛外滋养层。
(K) 在指定条件下第 6 代滋养层分化标记物的 IF。
所有比例尺均为 100 μm。
为了确定灵长类动物 EVT 和合体滋养层形成的潜在驱动因素,我们为人类、 9食蟹猴、 69和狨猴的滋养层谱系生成了单细胞胚胎分析纲要。 34综合分析揭示了两个分支的形成,代表合体滋养层和 EVT 分化(图 7 E 和S7 A)。在人和食蟹猴中,滋养外胚层和早期细胞滋养层紧密聚集在合体滋养层和 EVT 轨迹的根部。值得注意的是,狨猴样本在检查阶段(CS5-7)并未形成 EVT,这表明了物种特异性的适应。这一观察结果与报道的狨猴与人类相比增殖性滋养层投射的形成延迟一致。 70我们之前的实验表明,NRG1 在狨猴和人类中都是 EVT 分化的保守激动剂(图 6 )。值得注意的是,NRG1 由人类蜕膜基质细胞分泌。 71根据 EVT 形成延迟,狨猴蜕膜基质细胞在 CS5-7 处不表达 NRG1(图 7 F)。为了进一步确定细胞信号传导中的物种特异性适应性,我们对人类和狨猴细胞滋养层之间的信号传导途径进行了分析。 GO显示WNT信号在狨猴滋养层中显着富集(图7G ),这表明内源性WNT可能在防止EVT过早分化中发挥作用。与这一观点一致,可溶性 WNT 抑制剂DKK1在人类蜕膜化子宫内膜基质中高度表达33,但在狨猴中几乎检测不到(图 7 F)。这些数据强调了 WNT 信号在人类 EVT体内分化中的潜在作用。
WNT 激活是 TSC 自我更新 OK 培养基的核心成分,并被认为可以稳定细胞滋养层状态20 21 (Shannon 等人, 72 )。我们测试了 GSK-3β 抑制剂 CHIR99021 激活 WNT 是否可以阻止 PAVS 条件下的 EVT 分化(图 7 H)。初始人类 PSC 在 PAVS 和 PAVS 加 CHIR99021 (PAVS+CHIR) 中培养。在两种培养基中,初始 PSC 在 3-5 天内变平并产生上皮集落(图 7 H)。到第 5 代时,PAVS+CHIR 样品维持了 TSC 样上皮形态,而 PAVS TSC 分化为 EVT 样细胞(图7C 和 7I)。第 5 代幼稚 PSC、PAVS 和 PAVS CHIR 谱系标记物的转录谱显示,PAVS 中的人类细胞下调了细胞滋养层标记物,包括GATA2 、 GATA3和NR2F2 ,并且 EVT 标记物HLA-G和ANXA4强烈上调(图 7) J)。然而,PAVS+CHIR 强烈表达GATA3 、 GATA2 、 TFAP2C 、 NR2F2和OVOL1 ,与 TSC 身份一致(图 7 J)。 在蛋白质水平上,人 PAVS 细胞在第 6 代时表现出 EVT 特异性 HLA-G 和 CGB 的广泛上调(图7K 和S7B )。相比之下,PAVS+CHIR培养的人细胞不表达滋养层分化标记物,维持上皮形态,并且AP2γ( TFAP2C )呈阳性(图7K )。这些结果表明,在人类(而非狨猴)中,TSC 需要 WNT 信号传导来阻断 PAVS 条件下的 EVT 分化。
Discussion 讨论
在这里,我们报告了从原始 PSC 中衍生出狨猴植入后和植入周围类似 TSC。狨猴 TSC 表现出特征性谱系标记表达、体内与滋养层的转录对应、长期自我更新以及分化为多核合胞体和 EVT 的能力。重要的是,狨猴 periTSC 很容易形成 Tb 球体,再现滋养外胚层样细胞极性,并在体外附着后经历初级合胞体形成。从原始PSCs建立狨猴TSCs证实了人类外胚层可塑性的概念。 25 27 29未来的研究需要确定人类和非人类灵长类胚胎中谱系限制的时间。
羊膜与灵长类动物胚胎中的滋养层表现出显着的相似性:两者都形成薄的鳞状上皮,产生中央管腔,并受到密切相关的转录回路的控制。 34 53 56 73 74狨猴 TSC 周围和 TSC 后的所有羊膜标记物的表达均显着降低。狨猴 TSC 的甲基化分析揭示了羊膜标记 VTCN1 的高度甲基化,这可能是防止羊膜转分化的潜在调节机制。此外,羊膜和滋养层之间的另一个主要区别是细胞极性:滋养外胚层具有外部顶端侧和朝向腔内部的基部表面,而羊膜形成具有内部顶端和外部基部方向的玫瑰花结。 11 75 76 77我们发现,在没有外源 ECM 的情况下,Tb 球体表现出滋养外胚层样极性,与羊膜样球体相反。 54
新世界猴,包括狨猴,在灵长类动物中表现出最浅的滋养层入侵模式。 11 39 78因此,狨猴 TSC 提供了一种捕获浅表植入特征以及与人类相比 EVT 分化不同动态的途径。阐明调节滋养层侵袭深度的分子机制对于我们理解胎盘发育的病理生理变化非常重要。突出的例子包括先兆子痫(滋养细胞未能充分侵入子宫)或植入性胎盘谱系疾病(由于滋养细胞过度侵入而引起)。 13狨猴滋养层在体内发育的第一个月内在子宫腔内扩张,没有间质或血管内滋养层侵入。 11 70 79人类、食蟹猴和狨猴胚胎数据集的跨物种转录组分析表明,CS5-7 狨猴中不存在 EVT 样细胞,但狨猴 TSC 能够获得 EVT 谱系。人们很容易推测狨猴子宫内膜中 NRG1 表达的缺失可能导致体内EVT 形成的较晚发生。或者,人类和狨猴滋养层细胞在内源性 WNT 信号传导方面可能有所不同。 与人类相比,狨猴细胞滋养层的 WNT 信号转导富集,并且 WNT 激活是阻止人类 EVT 分化所必需的,但在狨猴中则不然。未来的研究需要阐明 WNT 在 EVT 形成中的作用,并确定狨猴母体生态位是否分泌信号来延迟滋养层入侵以进行浅表植入。
总的来说,我们的工作为捕捉灵长类滋养层发育的进化差异提供了概念验证。人类和狨猴 TSC 的比较分析将成为阐明灵长类动物胎盘、侵袭深度的调节机制以及人类胎盘发育的病理生理变化的有力框架。
Limitations of the study 研究的局限性
由于技术限制,未包括源自狨猴囊胚或妊娠早期胎盘的狨猴 TSC 分析。由于胚胎稀缺,我们无法与狨猴胚胎进行嵌合整合。单独的基质胶不足以忠实地再现母体环境。未来的研究必须纳入子宫内膜腺体和基质细胞。虽然我们对体内狨猴样品的身份进行了重要验证,但在组织裂解过程中无法识别细胞边界,使得具有多种细胞类型的样品成为可能。
Resource availability 资源可用性
Lead contact 铅接触
有关资源和试剂的更多信息和请求应直接发送给主要联系人 Thorsten Boroviak ( teb45@cam.ac.uk ) ,并由其完成)。
Materials availability 材料可用性
本研究中产生的质粒和狨猴系可根据要求从主要联系人处获得。
Data and code availability
数据和代码可用性
- •RNA sequencing data have been deposited at ArrayExpress and are publicly available as of the date of publication. Accession numbers are listed in the key resources table.
RNA 测序数据已存入 ArrayExpress,并自发布之日起公开可用。关键资源表中列出了入藏号。 - •This paper analyzes existing, publicly available data. These accession numbers for the datasets are listed in the key resources table.
本文分析了现有的公开数据。关键资源表中列出了这些数据集的入藏号。 - •Any additional data reported in this paper will be shared by the lead contact upon request.
本文中报告的任何其他数据将根据要求由主要联系人共享。 - •All original code has been deposited at https://github.com/Boroviak-Lab/Trophoblast and is publicly available as of the date of publication. DOIs are listed in the key resources table.
所有原始代码已存放在https://github.com/Boroviak-Lab/Trophoblast并自发布之日起公开发布。 DOI 列在关键资源表中。 - •Any additional information required to reanalyze the data reported in this paper is available from the lead contact upon request.
重新分析本文报告的数据所需的任何其他信息可根据要求向主要联系人提供。
Acknowledgments 致谢
我们感谢 Takahiro Arima 教授允许使用他们的人类 TSC,并感谢 Boroviak 实验室的所有成员对手稿的热情和批判性讨论。这项研究得到了Wellcome Trust (WT RG89228和 WT G117980 )和剑桥干细胞研究所的慷慨支持。 DS 设有滋养层研究生中心,并得到剑桥哲学会的支持。盖茨剑桥信托基金( OPP1144 ) 为 CME Slatery 提供了博士生奖学金,并得到了Wellcome Trust博士生奖学金 ( WT108438/C/15/Z ) 的支持。 TEB 和 CP 得到Wellcome Trust ( WT RG89228和WT G117980 )的支持。此外,这项研究得到了Wellcome Trust ( 203151/Z/16/Z 、 203151/A/16/Z ) 和 UKRI医学研究委员会( MC_PC_17230 ) 的部分资助。出于开放获取的目的,作者已对由此提交的任何作者接受的手稿版本应用了 CC BY 公共版权许可。 AW 得到了EU Horizon 2020 Marie Skłodowska-Curie Actions (ImageInLife, 721537 )的支持。 TNK、ALE 和 FH 作为 UKRI ERC担保计划的一部分,得到了EPSRC ( EP/Y032756/1 ) 的支持。 ML-A。得到了诺和诺德基金会拨款号NNF21CC007329 、 EMBO 科学交流拨款以及生物学家公司发展旅行奖学金的支持。
Author contributions 作者贡献
DS 和 TEB 构思了该项目。 DS、CM、TNK、ALE、SB、AW 和 ES 进行了实验。 AW 进行实时成像,TNK 和 ALE 进行封装,SB、E. Slatery、DS 和 CM 处理狨猴植入后胚胎。 ML-A.、CM 和 TNK 生成跨物种 TSC 嵌合体。 CM、DS、TNK、TMR、ML-A.、SJC、MZ-G.、JJB、JMB 和 WR 进行了实验/监督修订实验。 DS 进行了所有其他实验。 RB 提供狨猴植入后胚胎。 E. Sasaki 提供狨猴 PSC 和体外胚胎培养设施。 CP 和 DS 进行生物信息学分析。 TEB、DS 和 CM 撰写了手稿。 TEB 和 FH 获得了资金并监督了该项目。
Declaration of interests 利益申报
作者声明没有竞争利益。
STAR★Methods STAR★方法
Key resources table 关键资源表
REAGENT or RESOURCE | SOURCE | IDENTIFIER |
---|---|---|
Antibodies | ||
Monoclonal rabbit IgG anti-AP2γ | Abcam | ab218107; RRID:AB_2891087 |
Polyclonal goat IgG anti-AP2γ | R&D Systems | AF5059; RRID:AB_2255891 |
Polyclonal rabbit IgG anti-KLF17 | Atlas Antibodies | HPA024629;RRID:AB_1668927 |
Monoclonal mouse IgG anti-SOX2 | R&D systems | MAB2018; RRID:AB_358009 |
Monoclonal mouse IgG anti-ZO-1 | Thermo Fischer | 33-9100; RRID:AB_87181 |
Polyclonal rabbit IgG anti-laminin | Abcam | ab11575; RRID:AB_298179 |
Polyclonal goat IgG anti-SOX17 | R&D Systems | AF1924; RRID:AB_355060 |
Monoclonal mouse IgG anti-KRT7 | Abcam | ab9021; RRID:AB_306947 |
Polyclonal goat IgG anti-GATA6 | R&D | AF1700; RRID:AB_2108901 |
Monoclonal rabbit IgG anti-β-catenin | Cell signalling | 8480; RRID:AB_11127855 |
Polyclonal rabbit IgG anti-CDH11 | Invitrogen | 71-7600; RRID:AB_2533995 |
Monoclonal rabbit IgG anti-PDGFRα | Abcam | ab203491; RRID:AB_2892065 |
Monoclonal rabbit IgG anti-GATA3 | Cell signalling | 5852; RRID:AB_10835690 |
Polyclonal rabbit IgG anti-GATA2 | Abcam | ab173817 |
Monoclonal rabbit IgG anti-VTCN1 | Abcam | ab209242; RRID:AB_2801513 |
Monoclonal mouse IgG anti-OCT4 | Santa Cruz Biotech. | SC/5279; RRID:AB_628051 |
Polyclonal goat IgG anti-TBXT | R&D systems | AF2085; RRID:AB_2200235 |
Monoclonal mouse IgG anti-Ezrin | Merck/Sigma-Aldrich | E8897; RRID:AB_476955 |
Monoclonal mouse IgG anti-MMP2 | Thermo Fischer | 436000; RRID:AB_2532214 |
Monoclonal mouse IgG anti-HLA-G | Bio-Rad | MCA2043; RRID:AB_323365 |
Polyclonal rabbit IgG anti-human CGB | Abcam | ab53087; RRID:AB_870731 |
Polyclonal rabbit IgG anti-human CGB | Agilent Dako | IR508 |
Polyclonal rabbit IgG anti-CDX2 | Cell Signalling | 3977; RRID:AB_2077043 |
Acti-Stain 670 Phalloidin | Universal Biologicals | PHDN1-A |
Chemicals, peptides, and recombinant proteins | ||
MAPK inhibitor PD032590 | Cambridge Stem Cell Institute | N/A |
aPKC inhibitor Gö6983 | Bio-Techne | 2285 |
Basic fibroblast growth factor (bFGF) | Cambridge Stem Cell Institute | N/A |
Human leukaemia inhibitory factor | Cambridge Stem Cell Institute | N/A |
Tankyrase inhibitor XAV939 | Cell Guidance Systems | SM38-200 |
Rock inhibitor Y-27632 | Tocris | 1254 |
L-ascorbic acid | Sigma-Aldrich | A4403 |
Activin A | Cambridge Stem Cell Institute | N/A |
Epidermal growth factor (EGF) | Sigma-Aldrich | E9644 |
Activin receptor inhibitor A83-01 | Stem cell technologies | 72022 |
TGF- β receptor inhibitor SB431542 | Tocris | 1614 |
Bone morphogenic protein 4 (BMP4) | R&D systems | 314-BP |
Forskolin | Cambridge Bioscience | CAY11018 |
LipofectamineTM 2000 Transfection Reagent | Thermo Fisher Scientific | 11668019 |
Critical commercial assays | ||
Polyethylene terephthalate membrane transwell inserts | Corning | 353097 |
Total RNA Miniprep Kit | Monarch | T2010S |
High Sensitivity DNA Analysis Kit | Agilent | 5067-4626 |
KAPA HiFi HotStart ReadyMix 2x | KAPA Biosystems | KK2601 |
Nextera XT DNA sample preparation kit | Illumina | FC-131-1096 |
Nextera XT 24-index kit, 96 samples | Illumina | FC-131-1001 |
Deposited data | ||
Bulk bisulfite sequencing of in vitro marmoset cells | This paper | Array Express: E-MTAB-12453 |
Single cell bisulfite sequencing of marmoset pre- and postimplantation embryos | This paper | Array Express: E-MTAB-13893 |
Single cell RNA-sequencing of marmoset preimplantation embryo | This paper | Array Express: E-MTAB-13895 |
Single cell-RNA sequencing of in vitro marmoset cells | This paper | Array Express: E-MTAB-12463 |
Single-cell RNAseq of cynomolgus in vitro cultured embryos | Ma et al.69 | GEO: GSE130114 |
Single-cell RNAseq of cynomolgus in vitro cultured embryos | Yang et al.74 | GEO: GSE148683 |
Single-cell RNAseq of marmoset in vivo embryos | Bergmann et al.34 | Array Express: E-MTAB-9367 |
Single-cell RNAseq of human in vitro cultured embryos | DaSilva-Arnold et al.24 | GEO: GSE136447 |
Single-cell RNAseq of human 1st trimester trophoblast | Vento-Tormo et al.9 | Array Express: E-MTAB-6701 |
Single-cell RNAseq of human in vitro blastoid model | Kagawa et al.80 | GEO: GSE177689 |
Single-cell RNAseq of human in vitro blastoid model | Yu et al.81 | GEO: GSE150578 |
Single-cell RNAseq of human in vitro blastoid model | Liu et al.82 | GEO: GSE156596 |
Experimental models: Cell lines | ||
Human: SHEF6 | Aflatoonian et al.83 | hPSC line |
Marmoset: NEW4 | Kishimoto et al.84 | cmPSC line |
Marmoset: NEW2 | Kishimoto et al.84 | cmPSC line |
Marmoset: NEW2 (NLS-GFP and LifeACT-mCherry) | This paper | cmPSC line NEW2 |
Marmoset: NEW4 (cerulean) | This paper | cmPSC line NEW4 |
Marmoset: NEW2 (CDX2 overexpression) | This paper | cmPSC line NEW4 |
Marmoset: NEW2 (OCT4 overexpression) | This paper | cmPSC line NEW4 |
Experimental models: Organisms/strains | ||
Common marmoset (Callithrix jacchus) | Bergmann et al.34 | N/A |
Mouse: CD-1 | Charles River Laboratories | N/A |
Oligonucleotides | ||
Primers used in Figures 7J and S2B. See Table S1 | This paper | N/A |
Plasmid: OCT4-overexpression | This paper | N/A |
Plasmid: CDX2-overexpression | This paper | N/A |
Plasmid: Cerulean | This paper | N/A |
Plasmid: LifeACT-mCherry | Riedl et al.85 | N/A |
Plasmid: NLS-GFP | This paper | N/A |
Software and algorithms | ||
R | https://www.R-project.org/ | v4.1.1 |
Fiji | Schindelin et al.86 | N/A |
IGV V2.16.2 | https://data.broadinstitute.org/igv/projects/downloads/2.16/ | N/A |
TrimGalore! | https://github.com/FelixKrueger/TrimGalore | N/A |
Bismark v 0.22.1 | https://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/bismark/ | N/A |
Deep Tools v 3.1.3 | https://deeptools.readthedocs.io/en/develop/ | N/A |
KentUtils | https://github.com/ENCODE-DCC/kentUtils | N/A |
DMRcaller v 1.4.2 | Catoni et al.87 | N/A |
Seurat v3.2.0 | Butler et al.88; Stuart et al.89 | N/A |
Original code | This paper | https://github.com/Boroviak-Lab/Trophoblast |
Experimental model and study participant details
实验模型和研究参与者详细信息
Animals 动物
所有动物工作均根据《1986 年动物(科学程序)法》2012 年修正案进行,并由剑桥大学动物福利和伦理审查机构 (AWERB) 进行伦理审查。
狨猴胚胎样本最初由 Bergmann 等人获得。 34本研究中分析了新样本。简而言之,狨猴胚胎根据德国动物保护法在德国灵长类动物中心(Deutsches Primatezenzentrum-Leibniz Institute for Primate Research)采集,并经德国灵长类动物中心伦理委员会批准。动物获自德国灵长类动物中心的自我维持狨猴( C.jacchus )繁殖群,并根据德国灵长类动物中心普通狨猴的标准做法进行饲养。女性年龄在8-11岁之间。本研究中使用的狨猴胚胎取回动物程序已获得 Niedersächsisches Landesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit, LAVES 的批准,许可证号为 33.19-42502-04-16/2130 'Gewinnung früher Implantationsembryonen des Weißbüschelaffen zur molecularkularen Charakterisierung frühembryon灵长类动物的区分,其中包括积极的道德声明。子宫隔离按照 Bergmann 等人的描述进行。 34由专业且经验丰富的兽医进行。
本研究中使用的小鼠根据国家和国际指南饲养在剑桥大学的动物设施中。小鼠胚胎通过CD1野生型小鼠的自然交配从Charles River获得,并在胚胎收集时通过颈脱位法进行剔除。用于野生型胚胎交配的小鼠是六周大的。
Cell lines 细胞系
胚胎来源的常规狨猴 PSC 系 New2(雌性)和 New4(雌性)由 E. Sasaki 提供。狨猴 PSC 维持在 KSR/bFGF 培养基中,该培养基由 Dulbecco 改良 Eagle 培养基 (DMEM)/F12(21331,Gibco)组成,辅以 20% 敲除血清替代品 (KSR)(10828028,Thermo Fisher Scientific)、1% GlutaMAX( 35050061,Thermo Fisher Scientific)、1% MEM 非必需氨基酸(11140035,Thermo Fisher Scientific)、100 μM β-巯基乙醇(21985023,Thermo Fisher Scientific)和 10 ng/mL bFGF(剑桥干细胞研究所)。将细胞常规培养在丝裂霉素C(M4287,Sigma-Aldrich)灭活的小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)饲养细胞(剑桥干细胞研究所)上,在37℃、5% O 2和5% CO 2下。每天更换培养基,并每 2-4 天通过 Accutase(00-4555-56,Thermo Fisher Scientific)解离 5 分钟对细胞进行传代。
所有人类 PSC 实验均获得英国干细胞库指导委员会的批准,并符合英国关于使用人类干细胞系的实践规范的规定。人类胚胎干细胞系SHEF6 83由A. Smith实验室提供,并获得英国干细胞银行伦理批准。常规 SHEF6 90在低氧条件(37 °C、5% CO 2 、5 % O 2 )。使用 0.5 mM EDTA(AM9261,Invitrogen)将细胞常规传代成团。所有干细胞均经过核型分析、常规支原体污染检测并通过 RNA-seq 进行验证。
Method details 方法详情
Marmoset and human PSC resetting
狨猴和人类 PSC 重置
如 Bergmann 等人先前所述,对狨猴 PSC 进行化学重置。 34简而言之,传统的狨猴 PSC 以 2-5 个细胞的团块形式接种,一天后以 12 孔板每孔 50,000 个细胞(每 cm 2 1.3 × 10 4 个细胞)的密度重置在 MEF 上。 24小时后,将培养基更换为PLAXA,其由N2B27(Ndiff;Y40002,Takara Bio)培养基组成,补充有1%化学限定脂质(11905031,Gibco)、1μM PD0325901(剑桥干细胞研究所)、10ng /ml 重组人白血病抑制因子(LIF;剑桥干细胞研究所)、50 μg/ml L-抗坏血酸(A4403,Sigma-Aldrich)、2 μM XAV939(SM38-200,Cell Guidance Systems)和 20 ng/ml 激活素A(剑桥干细胞研究所)。在整个转化过程中,细胞每 3-4 天用 Accutase 1:1.5 进行传代。圆顶形菌落首先在第 4-5 天出现,幼稚转化在第 9 天完成。
使用史密斯实验室制定的方案对 SHEF6 人类 PSC 进行化学重置。 68 91在灭活的 MEF 上,用 N2B27 中的 1 μM PD0325901、10 ng/ml 人 LIF 和 1 mM 丙戊酸(VPA;P4543,Sigma-Aldrich)处理细胞 3 天。然后,将培养基更换为 PXGL:N2B27 中的 1 μM PD0325901、2 μM XAV939、2 μM Gö6983(2285,Bio-Techne)和 10 ng/mL 人 LIF。在某些培养物的前 10 天初始重置期间添加 10 μM Y-27632(1254,Tocris)。
Trophoblast stem cells derivation from PSCs
PSC 衍生的滋养层干细胞
如前所述在 MEF 上制备初始 PSC,并培养至 60-70% 汇合。除去初始 PSC 培养基,并在 PBS(D8537,Sigma-Aldrich)中洗涤 PSC。用指定的培养条件更换培养基并分化 5 天。
OK 条件如之前 Okae 等人所述。 20其他条件包括 OK XAV PD:高级 DMEM/F12(12634010,Thermo Fischer Scientific)补充有 55 μM β-巯基乙醇、0.3% 牛血清白蛋白(BSA;A9418,Sigma-Aldrich)、1% ITS-X 补充剂(41400045) ,Gibco),1.5 mg/ml L-抗坏血酸,50 ng/ml EGF(E9644,Sigma-Aldrich),2 μM XAV939,1 μM PD0325901,0.5 μM A83-01(72022,干细胞技术),1 μM SB431542 (1614,Tocris),0.7 mM VPA 和 1 μM Y27632 和 PAVS:高级 DMEM/F12,补充有 0.3% BSA、1% ITS-X 补充剂、55 μM β-巯基乙醇、1% 化学成分确定的脂质、1x GlutaMAX、1 μM PD0325901、0.5 μM A83-01、1μM SB431542、0.7 mM VPA 和 1 μM Y27632。除非另有说明,这两种条件均在非活性 MEF 上培养。通过将胶原蛋白重悬于 PBS 中并在 37°C 下涂覆 2 小时,生成 5 μg/ml IV 型胶原蛋白(C5533,Sigma-Aldrich)涂层。添加的其他分子包括 2 μM XAV939、20 ng/mL BMP4(314-BP,R&D 系统)、2 μM CHIR99021(CHIR;剑桥干细胞研究所)和 20 μM 毛喉素(CAY11018,剑桥生物科学)。介质每 24 小时更换一次。
4-5天后或达到90%汇合后,用PBS洗涤上皮集落,并用TrypLE(12605010,Thermo Fisher Scientific)解离6-8分钟,或直至细胞聚集并形成2-3个细胞团块。小心地取出 TrypLE,以免干扰细胞,将细胞重悬并重新铺在补充有 10 μM Y-27632 的培养基中 24 小时。狨猴 TSC 每 7 天以 1:2 传代,或直至达到 80% 汇合。
Overexpression marmoset PSC lines generation
过度表达狨猴 PSC 系的生成
在Vectorbuilder载体设计工具中设计过表达质粒,并用含有 Piggybac 转座酶的 pBase 质粒转染。 LifeACT 质粒如 Riedl 等人所述。 85
OCT4 OE: pPB[TetOn]-TRE>cm POU5F1 :BGH pA:CMV>Puro-rev(CAG>tTS: T2A:rtTA)
LifeACT-mCherry:pPB[Exp]-Blast-CAG> LifeACT-mCherry
天蓝色:pPB[Exp]-Puro-CAG>Cerulean
溶液 1:250μL OptiMEM(31985062,Thermo Fisher Scientific),含有 5 μg 基因质粒和 2.5 μg pBase。溶液 2:250 μL OptiMEM 和 15 μL Lipofectamine TM 2000 转染试剂(11668019,Thermo Fisher Scientific)。将溶液在室温下单独孵育5分钟,然后合并并在室温下孵育30分钟。狨猴 PSC 在 6 孔培养皿中培养至 75-80% 汇合,并将 2mL 新鲜培养基置于细胞顶部。然后将合并的溶液逐滴均匀地分布在狨猴 PSC 上。将细胞和转染溶液孵育过夜。第二天用新鲜培养基更换培养基,并使细胞恢复24-48小时。培养基中添加 2.5 μg/mL 嘌呤霉素(剑桥干细胞研究所)、1 μg/mL 杀稻瘟菌素(剑桥干细胞研究所)或 200 μg/mL G418(MIR 5920,剑桥生物科学),用于选择 48 个转染菌落细胞传代前数小时。通过 qPCR 检测感兴趣基因的质粒特异性基因表达,以确认转染成功。通过在培养基中添加 1 μg/mL 多西环素(CAY14422,Cambridge Bioscience)至少 2 代来促进 Dox 诱导的基因表达。
Trophoblast spheroids generation and culture
滋养层球体的生成和培养
如前所述封装细胞。 54 64 65 92简而言之,微流体装置设计有一个入口用于含有细胞的水性低熔点琼脂糖,另一个入口用于连续油相。将细胞以 1.5 × 10 6 个细胞/100 μL 重悬于含有 3% BSA 的 PBS 中。将细胞悬浮液与低熔点琼脂糖(50302,Lonza)溶液在 37°C 下按 1:1 混合。使用补充有表面活性剂(0.3%;CO22,Sphere Fluidics 的 Pico-Surf)的 HFE-7500(Fluorochem)作为连续油相。由自动泵(CETONI、neMYSIS)控制的注射器(SGE Analytical Science)将琼脂糖细胞悬浮液与油表面活性剂溶液分开注入微流控芯片中进行乳化。琼脂糖液滴通过出口离开微流控芯片并收集在冰上用于聚合。为了破乳,使用 200 μL 培养基和 45 μL 1H,1H,2H,2H-全氟-1-辛醇(B20156.18,AlfaAesar)。
封装的狨猴和人类 TSC 在补充有 1% 青霉素-链霉素(15140122,ThermoFisher Scientific)、1% 用于非侵入测定的基质胶(354230,Corning)和 10 μM Y-27632 的指定培养基中培养。微凝胶悬浮培养物在37°C、低氧条件(5% CO 2和5% O 2 )下培养。在 MEF 存在的情况下培养狨猴 TSC 球体。每隔一天用两倍的介质补充介质。每隔一天,通过以 200g 的速度旋转微凝胶 5 分钟来完全更换培养基。小心地去除上清液,每孔至少留下 0.5 mL 的介质。将微凝胶重新悬浮并转移回同一孔中。第 4-5 天(取决于结构生长),通过在 N2B27 培养基中于 37°C 下与 1 U/ml 琼脂酶(EO0461,Thermo Fisher Scientific)一起孵育 5 分钟,然后轻轻上下吹打,从微凝胶中释放结构从消化的琼脂糖中释放结构。
用 TrypLE 轻轻分离细胞 6-8 分钟,产生悬滴,确保细胞团块保留。小心去除 TrypLE,以免干扰解离的细胞。将细胞轻轻重悬于适当的 TSC 培养基中,并以 10-15 μL 液滴涂在 15 cm 培养皿的盖子上。 15厘米培养皿底部装满蒸馏水,小心地翻转盖子。悬滴培养2-3天。第 2 天,向 10 μL 液滴添加 10 μL 新鲜培养基。
Embryo cryosections 胚胎冷冻切片
按照 Bergmann 等人的描述获得怀孕的狨猴子宫。 (2022) 并未固定地嵌入最佳切割温度 (OCT) 化合物 (4583, TissueTek) 中并速冻。 34使用徕卡低温切片机 (CM3050) 将每个包含植入胚胎的子宫的 OCT 块以 12 μm 的厚度完全切片,以获得整个器官的连续切片。将含有胚胎组织的切片收集在萘二甲酸盐(PEN)膜载玻片(Zeiss,1.0PEN)或组织学载玻片(Superfrost Plus,Thermo Fisher Scientific)上,分别用于 LCM 和免疫染色分析,并立即转移至干冰。
Cross-species marmoset TSCs and mouse chimera
跨物种狨猴 TSC 和小鼠嵌合体
通过去除卵丘细胞并在透明质酸酶(H4272,Sigma-Aldrich)中短暂孵育,在 E0.5 收集受精卵。然后将胚胎在 EmbryoMax Advanced KSOM 培养基(MMR106D,Sigma-Aldrich)中培养 2 天,直至达到 8 细胞阶段。对于聚集嵌合体,通过在酸性 Tyrode 溶液(T1788,Sigma-Aldrich)中在室温下短暂孵育 30 秒至 1 分钟,从胚胎中去除透明带。
用 PBS 清洗带有天蓝色标签的狨猴 periTSC,并用 TrypLE 解离 10-15 分钟。小心地除去 TrypLE,并将细胞重悬于 N2B27 中。将 2-3 个细胞团块在 KSOM(MR-101,Sigma-Aldrich)中冲洗,并与透明带耗尽的 8 细胞阶段小鼠胚胎手动聚集在用匈牙利织补针生成的微孔中。然后将聚集的胚胎在铺有矿物油的 EmbryoMax Advanced KSOM 中体外培养 48 小时,直至 E4.5 相当。所有胚胎培养步骤均在 37°C、5% CO 2中进行。
EVT differentiation and migration assay
EVT分化和迁移测定
根据 Okae 等人描述的方案将狨猴 TSC 和人类 OK 细胞分化为 EVT。 (2018)。 20对于狨猴 TSC,每 24 小时更换一次培养基。分化 6 天后,进一步分析或测定细胞的迁移特性。
细胞在37°C、5% CO 2和5% O 2中培养。
通过 TSC 穿过聚对苯二甲酸乙二醇酯膜 Transwell 插入物(8 μm 孔径;353097,康宁)的能力来评估迁移。使用 TrypLE 解离 TSC 10-15 分钟,然后重悬于适当的培养基中。用于对照 periTSC、对照人 TSC 和 EVT 细胞的培养基是 PAVS(先前描述)、OK(Okae 等人20中描述)和不含基质胶的 EVT 培养基(高级 DMEM/F12,含有 0.1 mM β-巯基乙醇、0.3% BSA、 1% ITS-X 补充剂、7.5 μM A83-01、2.5 μM Y27632、4% KSR(如 Okae 等人所述),分别将20 个TSC 放置在上室(每个插入物 50 000 个细胞)中,下室放置在下室中。 24小时后,分别用不含和含FBS的新鲜培养基替换上室和下室中的培养基。第二天,擦拭膜上表面上的非迁移细胞。用棉签除去膜底部的迁移细胞,用 4% 多聚甲醛(PFA;15714S,Electron Microscopy Sciences/Thermo Fisher Scientific)在室温下固定 15 分钟。
Trophoblast attachment and invasion assay
滋养层附着和侵袭测定
Ibidi μ-Slide 8 孔(80806,Ibidi)涂有指定的 ECM。将 5 μg/ml 人胎盘 IV 型胶原蛋白在 PBS 中于 37°C 下孵育 2 小时,形成薄的 IV 型胶原蛋白涂层。通过在 DMEM 中将孔与 1% 基质胶在 37°C 下孵育 2 小时来生成薄基质胶涂层。通过将移液器吸头和 μ-Slide 8 孔预冷至 -20°C 来生成厚基质胶床。将 50μL 基质胶移入每个冷冻孔中,转移回包装中,并在平板旋转器中旋转 30 秒以形成平坦床。将基质胶包被的 Ibidi μ-Slide 8 孔在 37°C 下孵育 1 小时。
允许结构在 24-48 小时内附着到 ECM 涂层/床上。连接后,每 24 小时更换一次介质。将植入的结构固定在 4% PFA 中,并按照下文所述的 2D 培养进行 IF 染色处理,特别注意不要破坏附着的结构。
Quantificative polymerase chain reaction
定量聚合酶链式反应
使用 Total RNA Miniprep Kit (T2010S, Monarch) 进行 RNA 提取。使用 GoScript 逆转录酶(A5003,Promega)获得互补 DNA。 qPCR 使用 SYBR green PCR Master Mix(4309155,Thermo Fisher Scientific)在 StepOnePlus 实时 PCR 机(Applied Biosystems)中进行。使用 dCt 方法将结果归一化为 UBC 和 ACTB 的几何平均值。 93引物序列可在表 S1中找到。
Immunocytochemistry 免疫细胞化学
将冷冻切片载玻片在室温下解冻并在 4% PFA/PBS 溶液中固定 8 分钟。体外细胞在 Ibidi μ-Slide 8 孔中培养,并用 4% PFA 的 PBS 溶液在室温下固定 10 分钟。用 PBS 洗涤样品 3 次,并用 PBS 中的 0.25% Triton X-100(13444259,Thermo Fisher Scientific)透化 30 分钟。将载玻片和体外细胞在 PBS 中的 2% 驴血清(C06SB,Bio-Rad)、0.1% BSA、0.01% Tween-20(P9416-100,Thermo Fisher Scientific)中封闭 30 分钟,并与一抗溶液一起孵育过夜4°C。将载玻片保存在加湿室中进行孵育步骤。进行平铺扫描以对带有胚胎的子宫腔进行完整成像。平铺扫描图像由采集软件自动合并。
洗涤步骤(用 PBS 三次)后应用在封闭缓冲液中补充有核染色 DAPI(4',6-二脒基-2-苯基吲哚,Sigma-Aldrich)的二抗,并在室温下孵育 60 分钟。使用 Vectashield 封固剂(H-1200,Vector 实验室)和盖玻片(12343138,Thermo Fisher Scientific)冲洗并封固载玻片。
小鼠胚胎用 4% PFA 在室温下固定 15 分钟。将它们在补充有 3 mg/mL 聚乙烯吡咯烷酮(PBS/PVP;PVP10,Sigma-Aldrich)的 PBS 中洗涤 3 次,并在 0.25% Triton X-100 PBS/PVP 中透化 30 分钟。使用含有 2% 驴血清、0.1% BSA 和 0.01% Tween-20 的 PBS 封闭 60 分钟。将胚胎与一抗在封闭缓冲液中在 4°C 下孵育过夜。随后,将胚胎在封闭缓冲液中洗涤3次,每次至少15分钟,然后与二抗在室温下避光孵育2小时。
固定的 Transwell 膜用 PBS 洗涤 3 次,并用 PBS 中的 0.25% Triton X-100 透化 30 分钟。在封闭液(2% 驴血清、0.1% BSA 和 0.01% Tween-20)中孵育 30 分钟后,将膜转移到补充有 DAPI 的封闭液中,在室温下孵育 2 小时。用封闭缓冲液冲洗膜 3 次,并使用 Vectashield 封固剂和盖玻片封固。
抗体详细信息列于关键资源表中。抗人 CGB 抗体 ab53087 (Abcam) 和 IR508 (Agilent, Dako) 分别用于检测狨猴和人类样本中的 CGB。
Live imaging 实时成像
将细胞铺板于 Ibidi μ-Slide 8 孔中,并加入 400 μL 培养基以进行扩展培养。优先对具有较大细胞核或多细胞核的细胞进行成像。使用 Leica 多光子 SP8 显微镜,使用 25 倍水物镜,使用 1 μm 的 z 步长,以 30 分钟的间隔对细胞进行成像。使用 488 nm 和 555 nm 激光进行激发。
SEM imaging 扫描电镜成像
SEM 成像由剑桥高级成像中心进行。细胞在直径 13 mm 的玻璃盖玻片上生长。将细胞在固定液(0.05 M 二甲胂酸钠缓冲液 pH 7.4 中的 2% 戊二醛/2% 甲醛)中于 4°C 固定至少 24 小时。将盖玻片短暂浸入冷去离子水 (DIW) 中两次,然后浸入液氮冷却的乙烷中进行急速冷冻。将样品转移至液氮冷却的黄铜插入物中,并在液氮冷却的涡轮冷冻干燥机 (Quorum K775X) 中冷冻干燥过夜。
使用 Verios 460 SEM(FEI/Thermo Fisher Scientific)在无场模式(低放大率)或浸没模式(高分辨率)下使用同心反向散射检测器在 4 keV 加速电压和 0.2 nA 探针电流下运行,对切片进行成像。
Single cell RNA sequencing
单细胞RNA测序
利用先前发表的狨猴体内单细胞 RNA 测序数据集对植入前和植入后狨猴滋养层进行转录组表征。 34
使用玻璃毛细管将原始衍生的 OK、postTSC 和 periTSC 转移到含有 RLT 缓冲液(1053393,Qiagen)的单独管中,并立即冷冻在干冰中。
如前所述,Smart-seq2 文库制备以 96 孔格式进行。 94在 2100 生物分析仪系统 (Agilent) 上使用高灵敏度 DNA 分析试剂盒(5067-4626,Agilent)评估文库质量。合并的文库在 Illumina NovaSeq 平台上进行测序,读长为 PE 150 bp。按照 Bergmann 等人的描述处理读取。 34具体而言;使用 TrimGalore 修剪读数的接头序列! ( https://github.com/FelixKrueger/TrimGalore )并使用 STAR 95对准器 v2.5.4 映射到普通狨猴基因组 (Callithrix jacchus 3.2.1)。仅使用映射读数 >100,000 且映射效率 >40% 的样本进行下游分析。使用FeatureCounts 96 v1.6.0使用修改后的Ensembl基因注释文件(版本91)对基因计数进行量化。使用 Seurat 95 96 v3.1.2 分析了34 个通过 QC 的狨猴样本。使用 NormalizeData 和 ScaleData 函数对特征计数进行归一化和标准化。
DNA methylation DNA甲基化
对狨猴 periTSC、引发的狨猴 PSC 和幼稚狨猴 PSC 的三个重复进行批量全基因组亚硫酸氢盐测序。使用 Monarch 基因组 DNA 纯化试剂盒 (NEB) 提取基因组 DNA。 CD Genomics 在 Illumina NovaSeq PE150 测序仪上进行批量亚硫酸氢盐测序,覆盖率约为 30 倍。对于批量甲基化数据,首先使用 Trim Galore 修剪读数的接头序列! ( https://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/trim_galore/ )并使用 Bismark v0.163 与狨猴基因组C. jacchus 3.2.1 进行比对( https://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/bismark/ )。计算 CpG 背景下的 DNA 甲基化百分比并保存为单独的大佬文件。总结了各种基因组特征背景的甲基化百分比,包括启动子区域、整个基因体、外显子和内含子以及 CpG 岛,并使用 Deep Tools v 3.1.3 将甲基化百分比可视化为线图或热图 ( https://deeptools.readthedocs .io/en/develop/ )。请注意,CpG 岛是使用 KentUtils 的 cpg_lh 函数识别的( https://github.com/ENCODE-DCC/kentUtils) )。使用 DMRcaller v 1.4.2 在增量 1kb 窗口上计算差异甲基化区域。 87
Single cell bisulfite-sequencing
单细胞亚硫酸氢盐测序
使用激光捕获显微切割以接近单细胞的分辨率分离卡内基 5 期 (CS5) 和 CS7 狨猴胚胎中的组织。提取 RNA 并用于一项单独的研究34,同时提取 DNA 用于亚硫酸氢盐测序 (BS-seq),用于本研究,如Macaulay 等人所述。 97
按照 Clark 等人的概述对样品进行分析。首先使用 TrimGalore 修剪98 个读数的接头序列,然后使用 Bismark (v 0.22.1) 使用单端和非定向模式与狨猴基因组 (Callithrix jacchus 3.2.1) 进行比对。使用 bismark_deduplicate 删除重复读数,并对每个样本运行甲基化提取以捕获 CpG 背景中的甲基化百分比。由于单细胞亚硫酸氢盐测序的每个细胞覆盖率通常非常低,因此将各个 bam 文件组合起来为每个组织创建伪批量表示。首先根据转录组注释34或根据胚胎内的位置来分配各个样品的细胞注释。 CpG 上下文中的甲基化提取在伪大量组织 bam 文件上运行。为了可视化,bedGraphs 被转换为 bigwig 格式并在 IGV (2.16.2) 中可视化。
Quantification and statistical analysis
量化和统计分析
In vivo and in vitro sample sizing
体内和体外样品大小
在每个发育阶段(CS5、CS6、CS7)进行 2 次生物重复体内狨猴单细胞 RNA 测序。在体外,使用 New2 和 New4 细胞系分两轮独立生成 OK、postTSC (OK XAV PD) 和 periTSC (PAVS)。图3I、 5J 、 S2G 、 S3A 、S3B、 S5A 、S5J、 S6E 、S6I、S6K、S6L 和S7B中代表的“N”代表每个实验的独立重复。使用源自 New4 细胞系的 periTSC (PAVS) 进行跨物种嵌合,该细胞系与从 7 只不同小鼠收集的 44 个胚胎聚集在一起。
Dimensionality reduction, correlation and diffusion map analysis
降维、相关性和扩散图分析
用于降维的输入数据集由 10000 个表达差异最大的基因组成,由 Seurat 函数 FindVariableFeatures 确定。 88使用 Seurat 基于典型相关分析和相互最近邻方法对体外培养物进行联合分析。为了可视化,基于典型相关分析 (CCA) 和相互最近邻 (MNN) 方法,使用 Seurat 将所有体外模型的数据联合整合到狨猴体内参考数据集34中。具体来说,FindIntegrationAnchors 使用 10000 个特征运行,IntegrateData(具有 20 个维度)用于计算三个数据集的校正基因表达矩阵。使用 PCA 在校正的基因表达矩阵上可视化数据集,并分割体内和体外数据集以帮助解释。
使用 FindMarkers 函数对 10,000 个整合基因鉴定谱系的保守标记,并根据调整后的 p 值 < 0.05 和平均对数倍数变化 >0.1 或 <-0.1 进行截断。使用前两个主成分的散点图可视化关键标记的标记表达。通过 R 包使用京都基因和基因组百科全书 (KEGG) 和 Reactome 数据库进行功能分析。 99 Seurat 函数 AddModuleScore 评估特定信号通路、代谢通路或基因簇内基因的表达水平。使用内置 Seurat 函数执行100 次PCA 和 UMAP 分析。使用内置 R 函数与 Seurat 整合后,根据校正后的基因表达值计算细胞亚组之间的 Pearson 相关性。使用 pheatmap 1.0.12 将互相关矩阵可视化为热图。使用 FSR < 0.01 的截止值进行差异表达分析。
Cross-species integrative analyses
跨物种综合分析
为了进行跨物种分析,将几个胚胎和胚胎模型系统集成在一起。用于整合的每个数据集都包含胚胎和胚胎外成分,包括:
- 1.
- 2.
- 3.
- 4.
- 5.
- 6.
使用 IntegrateData 在 Seurat v3.2.0 88 89中对 5000 个标记基因 (FindIntegrationMarkers) 和 20 个主成分 (PC) 进行数据集整合。整合后,基于校正的基因表达矩阵进行降维。对于 UMAP,降维是基于前 20 个 PC。聚类是使用 FindClusters 函数生成的。对于所有带注释的数据集,初步比对将胚胎细胞谱系与胚胎外细胞谱系分离成单独的簇,并使用 PCA 和 UMAP 很好地分离。对于轨迹推断,与 TE(Cl 1 和 9)、滋养层(簇 0,2–7,10–11,13–16,18–20)和羊膜(簇 6,8,9,12,17)相关的簇)被选择用于数据集 1-5(通过子集聚类)并生成精细的聚类。任何具有 <10 id=8> 的细胞谱系101生成三个扩散图以可视化动态:
- 1.Divergence between syncytiotrophoblast and EVT from CTB dominated the first few diffusion components with amnion and TE sitting close to CTB.
合体滋养层和 EVT 与 CTB 之间的分歧主导了前几个扩散成分,羊膜和 TE 靠近 CTB。 - 2.A subsequent Diffusion map was generated for the TE, CTB and amnion was generated to better visualise the divergence between these lineages.
随后生成了 TE、CTB 和羊膜的扩散图,以更好地可视化这些谱系之间的差异。 - 3.A final DM focussed on the divergence between CTB and the syncytiotrophoblast and EVT lineages.
最后的 DM 重点关注 CTB 与合体滋养层和 EVT 谱系之间的分歧。
Image analysis 图像分析
使用开源软件 Fiji 86分析 IF 图像,以提取信号强度、圆度和流明尺寸。 DAPI 用于生成细胞核分割掩模。 EZRIN 和 F-肌动蛋白用于结构和管腔分割。对于合胞体定量,ZO1 和 DAPI 分别用于定义细胞边界和细胞核计数。单个细胞被单独分割和量化。在图5K中,CDX2+细胞通过PSC中CDX2表达的标准差的2倍来确定。
在R中进行免疫荧光分析。双尾Mann-Whitney检验用于比较非正态分布样品的两种均值,Kruskal-Wallis和随后的Dunn多重比较检验用于比较两种以上均值。除图 5 K 和S2 G 具有 2 个生物重复外,所有定量均在三个独立的生物重复上进行。显着性由 p 值 < 0.05 确定,如图和图标题中的*所示。
Supplemental information 补充信息
Document S1. Figures S1–S7.
Table S1. Primer sequences, related to Figures 7J and S2B.
Table S2.. Image quantification data, related to Figures 3, 4, S1, S2, and S4–S7
Document S2. Article plus supplemental information.
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