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哺乳动物胚胎早期发育受基因表达的严密调控,研究这一调控过程的分子机制是我们认识胚胎发育的关键环节。但对于人类胚胎,尤其是着床后人胚胎发育的研究开展的非常少。着床后的胚胎发育包含了原肠运动和器官形成,是胚胎发育的重要过程。了解这一过程的基因表达谱是我们阐明发育过程基因调控机制的重要步骤。高通量的基因芯片技术已被越来越多地应用于发育生物学的研究中,对于胚胎的不同发育过程及各种器官不同发育阶段的芯片研究将为我们提供发育过程中基因调控的大量信息。
在本项研究中,我们运用基因芯片技术,对着床后人胚胎发育Carnegie stage9至14这六个连续发育阶段(涵盖了早期器官形成阶段)的基因表达谱,进行了详尽的检测和分析。根据分析结果,我们检测的这段着床后人胚胎发育过程可以分为三个阶段,第一个阶段是Carnegie stage9,第二阶段包括Carnegie stage10至12,第三阶段包括Carnegie stage13至14。我们发现,整个胚胎形态变化可以由其基因表达谱,即整体分子水平的变化所诠释。在从第一个阶段(Carnegiestage9)进入第二阶段(包括Carnegie stage10至12)这一发育阶段的转变过程中基因表达变化与表型的对应关系表现得尤为显著。在这一转变过程中,基因表达谱发生了显著的变化,同时体内胚胎发育形态上观测到大量器官原基的形成。因此,无论是分子水平的变化还是形态上的变化,都表明Carnegie stage9到10是一个器官形成的关键时期。此外,将人胚胎发育过程调变的基因与果蝇及小鼠发育过程变化的基因进行比较后,也发现这种在器官形成最初阶段基因表达的变化特征在不同物种中是保守的。除此以外,有趣的是,通过与人胚胎干细胞数据的比较,我们发现,在着床后人胚胎发育过程中,stemness状态呈逐渐降低的趋势,而分化潜能则呈现多样的变化状态,提示两者联合行使正确的功能。
除了整合分析外,我们还利用网络调控分析找到了存在于着床后人胚胎发育过程中的基于基因表达的蛋白-蛋白子调控网络hPIEDNet,它可以很好地反映这段发育过程中的主要特征。这些特征是由hPIEDNet中与stemness相关的模块hStemModule和其余与分化相关的模块hDiffModule所共同体现的。具有两个模块的hPIEDNet体现着着床后人胚胎发育过程的不同状态。结果显示hStemModule在着床后人胚胎发育过程中逐渐失去它的功能,而hDiffModule则反映了每个发育阶段特有的分化潜能。因此,这两种模块就如同阴阳两极互相拮抗又互相依赖共同调控着胚胎的发育过程。
在本项研究中,为了挖掘深层次的生物学信息,我们成功地从着床后人胚胎发育过程的基因表达谱出发,整合了生物网络信息和各种不同的组学数据,从而建立起了一个从网络层面上理解生物学过程的范例。