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生命科学最大的难题之一

人类的生命从受精卵开始。一颗受精卵是如何发育成含有200多种细胞类型、36个重要器官的复杂有机体的？这是生命科学最大的难题之一。

在探索脊椎动物早期胚胎发育的奥秘时，科学家们主要依赖于斑马鱼、小鼠等模式生物进行基因表达谱和表观遗传学的分析。相比之下，关于人类早期胚胎发育过程中染色质调控的动态图谱，至今仍是一个未被充分探索的领域。

随着生命科学的不断进步，科学家们已经认识到，生物体的正常发(fā)育(yù)依(yī)赖(lài)于(yú)基(jī)因(yīn)在(zài)特(tè)定(dìng)时(shí)间(jiān)和(hé)位(wèi)置(zhì)按(àn)照(zhào)预(yù)设(shè)程(chéng)序(xù)的(de)有(yǒu)序(xù)表(biǎo)达(dá)，这(zhè)一(yī)过(guò)程(chéng)被(bèi)形(xíng)象(xiàng)地(de)比(bǐ)喻(yù)为(wèi)基(jī)因(yīn)表(biǎo)达(dá)的(de)“编(biān)程(chéng)”。刘(liú)江(jiāng)介(jiè)绍(shào)：“正(zhèng)如(rú)计(jì)算(suàn)机(jī)程(chéng)序(xù)需(xū)要(yào)特(tè)定(dìng)的(de)编(biān)程(chéng)语(yǔ)言(yán)来(lái)执(zhí)行(xíng)指(zhǐ)令(lìng)，人(rén)体(tǐ)内(nèi)的(de)基(jī)因(yīn)表(biǎo)达(dá)也(yě)遵(zūn)循(xún)着(zhe)一(yī)种(zhǒng)‘编(biān)程(chéng)语(yǔ)言(yán)’，即(jí)染(rǎn)色(sè)体(tǐ)的(de)开(kāi)放(fàng)状(zhuàng)态(tài)。我(wǒ)们(men)的(de)最(zuì)新(xīn)研(yán)究(jiū)揭(jiē)示(shì)了(le)这(zhè)种(zhǒng)‘编(biān)程(chéng)语(yǔ)言(yán)’如(rú)何(hé)调(diào)控(kòng)人(rén)类(lèi)胚(pēi)胎(tāi)的(de)基(jī)因(yīn)表(biǎo)达(dá)。”

值(zhí)得(de)注(zhù)意(yì)的(de)是(shì)，在(zài)卵(luǎn)子(zi)受(shòu)精(jīng)后(hòu)的(de)最(zuì)初(chū)两(liǎng)天(tiān)里(lǐ)，胚(pēi)胎(tāi)处(chù)于(yú)一(yī)个(gè)特(tè)殊(shū)的(de)阶(jiē)段(duàn)，此(cǐ)时(shí)几(jǐ)乎(hu)没(méi)有(yǒu)基(jī)因(yīn)表(biǎo)达(dá)活(huó)动(dòng)。刘(liú)江(jiāng)进(jìn)一(yī)步(bù)解(jiě)释(shì)说(shuō)，如(rú)何(hé)启动基因表达、哪些基因会首先表达以及后续的表达顺序，一直是该领域的研究难点。传统的研究方法需要大量的人类早期胚胎细胞，通常数量高达100万个。然而，由于人类早期胚胎资源的稀缺性和高昂成本，这一需求成为了制约相关研究的关键因素。

技术突破，微量细胞也能做成大事

刘江团队为解决研究难题，采取了技术创新手段，优化了实验流程，开创性地建立了一种针对微量细胞的研究新方法。他们仅凭50个细胞便达成了以往需100万个细胞方能完成的实验目标，并在全球范围内首次揭示了人类胚胎基因组的激活机制。

据刘江介绍，团队不仅成功定位了启动人类基因组表达的核心分子Oct4，还观察到一个有趣的现象：在进化历程中较早出现的基因会优先表达，而较晚出现的基因则倾向于延后表达。他认为，这可能是由于细胞内部预设的程序使得古老基因的调控开关得以率先开启。

关于“老基因”与“新基因”的界定，刘江进一步解释道：大约30亿年前，地球生命初现时所携带的基因，构成了所有现存物种共有的基础——这些即为最古老的基因。随着哺乳动物的出现，与胎盘生殖功能相关的基因应运而生，被视为相对较新的基因。至于人类，神经系统中的许多独特基因则是在人类进化过程中最新加入的。

为人类优生优育提供理论基础

刘江团队还透露，这项最新研究还揭示了人类进化中的一个关键新机制。“DNA的突变是驱动人类进化的重要因素之一，其中，一类被称为转座子的DNA片段起着至关重要的作用。这些转座子能够在DNA序列中从一个位置跳跃到另一个位置，导致DNA突变的发生。”值得注意的是，转座子的活跃期主要集中在胚胎发育阶段，这意味着它们主要在此时产生新的基因组突变，而这些突变更有可能被传递给后代。

该研究成果由中科院北京基因组研究所的刘江团队，携手山东大学附属生殖医院的陈子江团队以及广州医科大学的刘见桥团队共同完成。这项研究在国际上首次深入解析了调控人类胚胎基因表达的“编程语言”，并成功绘制出人类早期胚胎发育过程中的染色质调控动态图谱。这一突破不仅加深了我们对人类胚胎发育基因表达调控的理解，还使中国在人类发育研究领域跃居国际前沿。

专家表示，尽管这项研究成果距离直接应用于优生优育领域还有一定的距离，但刘江团队在提高试管婴儿医疗效率方面的课题已迈入了临床前实验阶段。在打开了人类胚胎发育和进化的奥秘这扇大门后，更多相关领域的课题研究必将飞速发展。

参考来源：光明网、国际在线、中国科学报