Cell子刊：诱导hPSC自组织成小脑样3D结构

2015年2月3日，日本理化学所的研究人员在Cell旗下子刊《Cell Reports》发表了一项最新研究成果，在这项研究中，研究人员成功诱导人类胚胎干细胞自组织，发育成一个类似小脑的三维结构，有着合适的背腹式花纹和多层结构，与自然发育的小脑相同。

　　

生物通报道：2014年科学界的丑闻之一就是，日本理化学研究所小保方晴子及其同事在《Nature》发表的研究论文被质疑造假，并被撤稿。小保方晴子的指导者、理化学所发育和再生科学综合研究中心副主任笹井芳树，因为卷入论文造假丑闻，在2014年8月自杀身亡。相关新闻：Nature：卷入造假丑闻，著名干细胞科学家陨落。

2015年2月3日，该课题组研究人员在Cell旗下子刊《Cell Reports》发表了一项最新研究成果，题为“Self-Organization of Polarized Cerebellar Tissue in 3D Culture of Human Pluripotent Stem Cells”，在这项研究中，研究人员成功诱导人类胚胎干细胞自组织，发育成一个类似小脑的三维结构，有着合适的背腹式花纹和多层结构，与自然发育的小脑相同。

小脑是一种高度有序的大脑结构，与几种不同类型细胞的运动功能相关。其早期发育在羊膜动物之间是保守的。最初，峡部组织者（isthmic organizer）在中脑-后脑边界（MHB）形成，诱导菱脑原节（r1）背侧区域（翼板）的小脑板（CP）。小脑细胞是在r1的两个不同生发带产生。CP的脑室区（VZ）表达基本的螺旋-环-螺旋（bHLH）转录因子Ptf1a。Ptf1a+祖细胞产生小脑皮层和深部小脑核（DCN）的氨基丁酸能神经元（浦肯野细胞和中间神经元）。r1背部边缘的菱形层（RL）表达另一个bHLH因子Atoh1 (也被称为Math1)。Atoh1+祖细胞生成谷氨酸能神经元，包括颗粒细胞（GCs）、单极刷细胞和大的CN投射神经元。

对小脑分化机理的最新认识，已经促进了体外生成多能干细胞来源小脑神经元的技术发展。然而，几个细胞组件如何装配形成小脑的复杂结构，仍然还是未知的。

该研究小组此前曾报道，可通过在3D培养中再现（recapitulate）自感应信号微环境，有效地从小鼠胚胎干细胞（mESCs）生成小脑神经元。mESCs可形成峡部组织者样组织，以响应纤维母细胞生长因子2（FGF2）和胰岛素。进一步抑制Shh信号可促使表达浦肯野细胞祖细胞标记Kirrel2的CP神经上皮（NE）发生分化。另一方面，添加骨形态生成蛋白（BMP）信号可在损害浦肯野细胞的情况下，促进分化成Atoh1+ GCs和Tbr1+ DCN神经元。虽然，该研究小组已经成功诱导小脑神经元元件，但是到目前为止，小脑结构的三维构造尚未得以再现。

在当前这项研究中，研究人员应用人胚胎干细胞（hESC）培养的自形成（self-formation）原理，在体外生成人类小脑组织。他们发现，能够在体外生成主要的小脑细胞类型。值得注意的是，他们展示了一组人浦肯野细胞的电生理学分析。此外，该研究小组确定了两个因子FGF19和SDF1，它们能够以明显不同的方式促进有序CP样组织的自形成。

在此项研究中，研究人员表明，加入FGF19可促进后脑神经管样NE结构（具有背-腹极性）的自发形成。FGF19和SDF1的连续添加，可诱导产生连续的、分化成多层结构的CPNE（在小脑个体发育中所看到的）。NE边缘形成不同的RL样生发带。关于3D干细胞培养中的自发极性形成，该研究小组讨论了hESC来源小脑组织的自组织性。

（生物通：王英）

生物通推荐原文：
Keiko Muguruma, Ayaka Nishiyama, Hideshi Kawakami, Kouichi Hashimoto, Yoshiki Sasai. Self-Organization of Polarized Cerebellar Tissue in 3D Culture of Human Pluripotent Stem Cells. Cell Reports, Volume 10, Issue 4, p537–550, 3 February 2015.