单细胞多组学在灵长类早期胚胎发育中的研究应用

啮齿类是研究胚胎发育的重要模型,然而啮齿类与灵长类在发育过程中存在巨大的种属差异,啮齿类中的研究并不能简单推广到灵长类中,因此灵长类生殖发育研究亟待开展。早期胚胎细胞数量稀少且复杂多样,通常采用单细胞测序技术来揭示其发育过程及调控机制。然而仅依靠单细胞单组学分析并不能有效全面地解析细胞间编码的复杂网络信息。单细胞多组学有效地联合转录组、表观遗传组、蛋白质组、代谢组等进行分析,使研究者能够在同一细胞水平上系统地解码不同细胞类型的异质性及发育轨迹,从多维度去理解灵长类早期胚胎发育的关键事件。本文总结了单细胞RNA治疗发展到多组学过程中关键技术的发展历程,并概述了多组学技术在深入解读灵长类早期胚胎发育研究中的应用及未来潜在的发展方向和挑战。

非人灵长类帕金森动物模型中的行为学评估

帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是一种神经退行性疾病,目前发病机制不明,患者会出现与疾病相关的运动和非运动症状。啮齿类动物模型只能部分精准模拟患者的症状,导致相关的临床前研究存在局限性,非人灵长类动物模型能够较好的弥补这种缺陷,对非人灵长类PD模型的运动和非运动症状的量化有利于发病机制和治疗的研究,本综述中总结了不同行为学量化方式,同时对比了不同方法之间的优劣性,为进行PD猴模型研究提供了行为学测试的参考。

类器官、器官芯片与合成生物学:前沿科技交响曲

生命科学的发展和生物技术的突破是推动人类社会进步与重大变革的重要动力。合成生物学是重塑生命的科学,作为认识生命的“钥匙”,旨在利用工程学手段设计和构建新型生物系统,创造全新的生命形式或赋予现有生物体新的功能[1]。这为生命科学研究提供了新的范式,有望解决疾病诊治、环境健康和再生医学等领域的系列重大科学问题。

酒精性肝病与肠道微生物群落研究进展

酒精性肝病与肠道微生物群落密切相关。酒精性肝病会导致肠道微生物群落失调,而微生物群落失调又可进一步加重肝病进程。本文综述了酒精性肝病与肠道微生物群落间的关系及作用机制,以及益生菌、益生元、合生元、后生元和噬菌体等肠道微生物及其相关产物改善或治疗肝病的研究前景。

SC-BPSO:肝癌分类中一种融合过滤器的二进制粒子群算法特征的选择方法

癌症的早期诊断能够显著提高癌症患者的存活率,在肝细胞癌患者中这种情况更加明显。机器学习是癌症分类中的有效工具。如何在复杂和高维的癌症数据集中,选择出低维度、高分类精度的特征子集是癌症分类的难题。本文提出了一种二阶段的特征选择方法SC-BPSO:通过组合Spearman相关系数和卡方独立检验作为过滤器的评价函数,设计了一种新型的过滤器方法——SC过滤器,再组合SC过滤器方法和基于二进制粒子群算法(BPSO)的包裹器方法,从而实现两阶段的特征选择。并应用在高维数据的癌症分类问题中,区分正常样本和肝细胞癌样本。首先,对来自美国国家生物信息中心(NCBI)和欧洲生物信息研究所(EBI)的130个肝组织microRNA序列数据(64肝细胞癌,66正常肝组织)进行预处理,使用MiRME算法从原始序列文件中提取microRNA的表达量、编辑水平和编辑后表达量3类特征。然后,调整SC-BPSO算法在肝细胞癌分类场景中的参数,选择出关键特征子集。最后,建立分类模型,预测结果,并与信息增益过滤器、信息增益率过滤器、BPSO包裹器特征选择算法选出的特征子集,使用相同参数的随机森林、支持向量机、决策树、KNN四种分类器分类,对比分类结果。使用SC-BPSO算法选择出的特征子集,分类准确率高达98.4%。研究结果表明,与另外3个特征选择算法相比,SC-BPSO算法能有效地找到尺寸较小和精度更高的特征子集。这对于少量样本高维数据的癌症分类问题可能具有重要意义。

用于新型冠状病毒研究的小鼠和猴子动物模型

随着严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2(SARS-CoV-2)在世界范围内的传播,其基因组在不断突变进化,出现了α、β、γ、δ等不同的毒株,因而持续研发针对不同毒株的药物和疫苗是应对该病毒传播的核心。而构建SARS-CoV-2动物模型不仅用于研究新冠病毒的致病机制,也是评价SARS-CoV-2相关药物与疫苗治疗效果的关键。然而,常用的模式动物小鼠对野生型的SARS-CoV-2不易感,因此迫切需要能够感染新冠且更好地模拟人体病理生理状态的动物模型。本综述回顾了用于新冠病毒感染和传播的动物模型,以及这些模型在表征病毒免疫病理学方面的进展。

少突胶质前体细胞在神经发育及疾病中的作用

少突胶质前体细胞(oligodendrocyte precursor cell,OPC)是中枢神经系统(central nervous system,CNS)中普遍存在的胶质细胞,参与维持正常神经功能并在多种疾病中发挥重要作用。OPC功能异常在多种疾病中均有观察,包括多发性硬化症、阿尔茨海默病、帕金森病以及精神障碍。这些细胞不仅可以分化为少突胶质细胞(oligodendrocyte,OL),形成髓鞘,发挥保护轴突和加速电信号传导等关键作用,还参与调节神经发育、神经环路形成以及神经可塑性,对环境因素做出响应,与神经系统疾病密切相关。OPC同时呈现显著的异质性,受到发育程序、刺激特异性的细胞反应、CNS位置、细胞间相互作用和其他调控机制的影响。本文全面综述了OPC的起源、增殖、迁移、分化等多个方面,以及其在神经发育和神经系统疾病中的关键作用。深入了解OPC的生物学功能和临床意义有助于更好地理解神经系统发育及其疾病机制,为神经系统疾病的治疗提供新的思路和策略。

人胚胎早期发育与干细胞

人胚胎早期发育包括三个重要阶段:①从受精卵到晚期囊胚的着床前阶段;②从晚期囊胚到原肠运动前的围着床阶段;③从原肠运动到早期器官发生的原肠后阶段。后两个阶段统称为着床后早期发育阶段。妊娠过程中,不育(胚胎着床失败或流产)和胎儿出生缺陷,很大程度上是胚胎的着床后早期发育出现异常所致。人着床后早期胚胎,由于位于母体子宫,且尺寸较小,不易对其观察和研究,因此,这一阶段的胚胎发育过程长期处于“黑匣子”状态。近年来,随着单细胞组学技术和胚胎体外延长培养系统的建立,以及胚胎和胚外干细胞、类器官和类胚胎领域的快速发展,使得人胚胎着床后早期发育的神秘面纱被慢慢揭开。本文从人胚胎早期发育、胚胎和胚外干细胞、类胚胎和类器官研究的视角,结合细胞通信、谱系互作、信号梯度、黏附分子、生物力学和细胞外基质等因素对细胞分选、迁移重排和自我组织的影响,概述了人胚胎早期发育过程中的发育原理,当前胚胎和胚外干细胞的研究进展以及用其模拟人胚胎早期发育的研究现状、存在问题和发展方向,以期能够帮助理解人胚胎早期发育的奥秘。

子宫内膜类器官研究进展

子宫内膜类器官(endometrial organoids,EOs)是子宫内膜细胞自组织的三维聚集物,代表子宫内膜的结构和功能。根据所包含的细胞类型的数量,EOs可分为两类:单种细胞EOs和多种细胞EOs。EOs将加速我们对子宫内膜发育和疾病的分子和细胞机制的理解,将成为从疾病建模到个性化医疗等生物医学应用的有前途的工具。本文对EOs的表型(典型的表面标记和结构)、遗传特征、培养基、对激素的反应、模拟的疾病模型、挑战和未来展望逐一综述。

单细胞转录组测序在少突胶质谱系细胞异质性与神经系统疾病中的应用

少突胶质细胞是中枢神经系统中形成髓鞘的高度特化的胶质细胞,由少突胶质前体细胞分化而来。长期以来,围绕少突胶质谱系细胞开展的研究主要集中在少突胶质细胞发育、髓鞘形成以及少突胶质谱系细胞在神经系统疾病中的作用等。新兴的单细胞转录组测序技术可以在转录组层面鉴定出特定类型细胞,为少突胶质谱系细胞的研究提供助力。本综述主要关注常见单细胞测序技术的发展以及它们在少突胶质细胞功能异质性和神经系统疾病研究中的应用,并对已取得的成果进行总结阐述,为单细胞测序技术在中枢神经系统疾病中少突胶质谱系细胞相关研究的应用和开发提供思路和参考。

食蟹猴妊娠早期剖宫取胎术的建立

为建立规范的食蟹猴妊娠早期剖宫取胎术以获得实验用胚胎,对16只妊娠食蟹猴(胎儿胎龄为28~70 d)使用盐酸氯胺酮和异氟烷施行麻醉后,进行剖宫取胎术,并给予静脉滴注止血、消炎药物7 d和肌内注射缩宫素3 d等术后护理。共获得21枚结构完整的胚胎,受术食蟹猴的切口在术后2周左右愈合。结果表明:所建立的食蟹猴妊娠早期剖宫取胎术可获得高质量的实验用胚胎。

滋养层模型研究进展

滋养层细胞是胎盘的主要组成成分,滋养层发育不良会导致胎盘缺陷,进而引发相关妊娠疾病。为阐明疾病致病机制及治疗相关疾病,有必要了解滋养层发育机制。鉴于伦理限制,人类滋养层研究并没有像小鼠那样成熟,合适的体外模型是目前研究的重点和难点。干细胞、类器官、材料科学及测序技术的快速发展极大地促进了体外滋养层发育模型的建立与研究。近年来,国内外研究团队陆续报道了一系列二维(2D)和三维(3D)滋养层发育模型,用于模拟体内胎盘发育和功能。本文主要围绕滋养层的发育、体外滋养层发育模型的建立及其应用等进行综述,为相关研究提供参考。

去甲肾上腺素通路的研究进展及其在迷走神经电刺激改善难治性癫痫学习记忆中的潜在作用

迷走神经电刺激(vagus nerve stimulation, VNS)对无法手术的耐药难治性癫痫患者能起到较好的抗癫痫效果,目前已被美国FDA批准用于耐药难治性癫痫的临床辅助性治疗。VNS的抗癫痫作用可长期维持,且治疗效果随刺激时间的延长而增加。有研究发现,VNS在减少癫痫发作的同时,还能改善癫痫患者的情绪状态,提高患者的认知能力。去甲肾上腺素能系统参与突触可塑性调节。本文综述了VNS改善难治性癫痫患者学习记忆能力的研究进展,重点讨论了去甲肾上腺素能系统调控突触可塑性变化的相关信号通路,提出VNS激活去甲肾上腺素能系统从而改善患者学习记忆的潜在可能性,为临床癫痫治疗提供新的靶点和思路。

N^(6)-甲基化腺嘌呤RNA甲基化修饰在中枢神经系统中的作用研究进展

mRNA存在多种转录后修饰,这些修饰调控mRNA的稳定和剪接、翻译、转运等多个过程,进而影响细胞发育、机体免疫、学习认知等重要生理功能。其中m^(6)A修饰是转录后修饰中最丰富的一种,广泛存在于mRNA中,调控mRNA的代谢活动,影响基因表达。m^(6)A修饰的稳态对神经系统的发育和功能维持至关重要。近年研究发现,在神经退行性疾病、精神疾病和脑肿瘤中均存在m^(6)A修饰的身影。因此本文对近几年m^(6)A甲基化修饰在中枢神经系统发育、功能及相关疾病中的作用进行总结,为神经系统疾病提供潜在的临床治疗靶点。

高通量测序在可变剪接中的研究进展

在真核生物基因表达的过程中,mRNA的可变剪接(alternative splicing,AS)导致同一基因蛋白质亚型多样性的产生,同时也增加了基因表达调控的多样性。高达95%的人类基因可以通过AS来产生具有不同功能的蛋白质。除此之外,约15%的人类遗传疾病和癌症与AS相关。作为一种精密的基因表达调控方式,AS协助完成重要的生物过程,如细胞发育和分化等。近年来,高通量测序的发展推动了AS在分析组织特异性基因表达领域的研究。然而,两者的有机结合应用仍然具有挑战性。该文总结了高通量测序在AS研究中的应用,进一步分析了其中存在的问题,并提出了解决方法,为推动该领域的发展提供了新的策略与思路。

体外人胚胎研究“14天规则”亟待调整:基于科学、伦理、政策的综合视角分析

长期以来,国际科学界在体外人胚胎研究领域所遵循的“14天规则”,将人胚胎体外研究时间限制在受精后的14天内,这是该研究领域最重要的伦理规则。随着胚胎培养技术的发展,这一伦理规则受到前所未有的挑战。2021年,国际干细胞研究学会(ISSCR)在《干细胞研究和临床转化指南》中建议有条件地放宽这一限制,科学界重启关于“14天规则”的讨论。文章以“14天规则”为切入点,系统梳理人胚胎研究伦理规制的历史背景和现实挑战,围绕人胚胎的道德地位、尊严和法律地位等关键伦理问题进行分析,全面分析各界利益相关者的观点和态度,从而结合实际做出评估,明确提出审慎、适当延长“14天规则”的政策建议和具体措施。

CRISPR/Cas9系统诱导DNA断裂的修复机制研究进展

近年来,聚类规则间隔的短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)及其相关蛋白(CRISPR-associated protein 9,Cas9)介导的基因编辑技术已广泛应用在生物学、基础医学等研究领域中,通过该技术构建的动物疾病模型推动了对发病机制的探索和基因治疗等方面的研究进展。Cas9核酸酶切割与随后的同源重组(HDR)或非同源末端连接(NHEJ)共同完成基因编辑工作,但是HDR发生的效率较低限制了其应用。因此对NHEJ和HDR修复方式的机制研究对于提高基因编辑的精准性及高效性十分重要。该文主要对CRISPR/Cas9系统应用过程中NHEJ和HDR修复系统的发生机制进行总结并结合相关研究进展进行了展望,为高效利用CRISPR/Cas9技术的研究提供了思路。

基于CRISPR/Cas9系统和增强ssODN重组建立tau-V337M小鼠模型

利用CRISPR/Cas9基因编辑技术建立tau-V337M突变的阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)小鼠模型。通过设计和体外合成单向导RNAs(single guide RNAs,sgRNA)及单链寡核苷酸(single-stranded oligonucleotides,ssODN),将sgRNA、Cas9蛋白、ssODN注射到小鼠受精卵内,利用DNA切割和重组产生突变。为了提高重组效率,又在注射时添加Rad51蛋白。使用自然交配的雌鼠作为受体,将2细胞期的编辑胚胎进行单侧输卵管移植。研究发现通过添加Rad51蛋白可以获得较高的突变效率,在F0小鼠中获得了tau-V337M小鼠并进行扩繁,F0代tau-V337M小鼠可以将突变遗传给F1代。综上所述,本研究利用Cas9、ssODN和Rad51成功建立了首个tau-V337M基因位点突变的小鼠模型,为AD的研究和点突变模型制作提供了模型和方法基础。

迷走神经刺激在癫痫治疗中的抗炎作用机制

癫痫是一种由大脑神经元过度兴奋或异常同步放电引起脑部功能障碍的慢性神经疾病,具有反复性、发作性和短暂中枢神经系统功能失常等特征。近年来,研究发现炎症反应的异常激活在癫痫发生和发展过程中起到重要作用,炎症信号分子成为抗癫痫治疗的新靶点。迷走神经刺激(vagus nerve stimulation,VNS)作为辅助疗法通过与抗癫痫药物治疗相结合,可以减少癫痫发作,大量的临床应用表明VNS治疗具有较高的安全性和有效性,然而VNS的作用机制尚不清楚。近年来,人们已经在动物疾病模型和病人中开展了VNS抗炎作用机制的研究,该文对VNS在抗癫痫治疗中外周和中枢神经系统的免疫调节作用机制进行综述。