在不使用真实胚胎的情况下，科学家如何研究生命最早的发育事件？ 加州大学圣克鲁兹分校（UC Santa Cruz）的研究团队在 Cell Stem Cell 发表了一项突破性成果，利用基于CRISPR的表观基因组编辑技术，将小鼠干细胞“编程”为能够自发组织成胚胎样结构（embryoid） 的细胞模型。这些细胞展现出惊人的集体行为——如同鸟群般协同旋转、迁移，最终在培养皿中形成模拟原肠胚前发育阶段的三维结构。该可编程平台为研究遗传因素对早期发育的影响、生殖障碍机制及潜在生育治疗提供了无需真实胚胎的强大工具。
早期胚胎发育：难以触及的“黑箱”
受精卵首次分裂至着床前的数天，是决定胚胎能否成功建立的关键窗口。然而，在哺乳动物中，这一过程发生在子宫内，难以直接观察；且研究真实胚胎涉及伦理与技术限制。长期以来，科学家依赖体外培养的胚胎或化学诱导的干细胞分化模型，但这些方法要么资源稀缺，要么无法真实再现胚胎中多种细胞类型共发育、互作与自组织的复杂过程。
方法突破：表观基因组编辑而非基因编辑
研究团队采用了一种CRISPR表观基因组编辑器（epigenome editor），其核心特点为：
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不切割DNA：与传统的CRISPR-Cas9基因编辑不同，该系统不引入DNA双链断裂；
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调控基因表达：将失活的dCas9蛋白与转录激活因子融合，靶向特定基因的启动子区域，精准开启内源基因的表达；
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不添加外源信号分子：与传统的化学诱导分化不同，该方法仅激活细胞自身已有的基因网络，不依赖外源性形态发生素或生长因子。
研究者靶向了对早期胚胎发育至关重要的多个基因（如 Cdx2、Gata6、Sox2 等），诱导干细胞分化为滋养外胚层（trophectoderm）、原始内胚层（primitive endoderm）、上胚层（epiblast） 等早期胚胎的主要细胞谱系。
共发育：细胞间的“邻里历史”
该方法的独特优势在于允许不同细胞类型在同一个培养体系中同时分化、共发育，而非分别诱导后再混合。
“这些细胞共发育，就像在真实胚胎中一样，建立了作为‘邻居’的历史，”资深作者、UCSC生物分子工程助理教授Ali Shariati解释道，“我们不改变它们的基因组，也不让它们暴露于特定信号分子，而是激活其现有的基因。”
这种共发育历史对于细胞间的自组织至关重要——细胞在发育过程中逐渐建立相互位置关系、进行集体迁移，最终形成有序结构。
自组织现象：细胞“本能”地形成胚胎模式
研究团队发现，约80% 的干细胞在数天内自发组织成模拟原肠胚前胚胎的结构。活细胞成像显示：
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集体旋转迁移：细胞群体展现出类似鸟群或鱼群的协同运动，沿着特定方向旋转迁移；
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模式形成：通过这种集体行为，细胞自发排列成与真实胚胎高度相似的空间模式；
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分子相似性：单细胞转录组分析证实，这些细胞模型的基因表达谱与自然胚胎相应阶段的细胞高度一致。
“相似性在细胞组织方式以及分子组成上都十分显著，”Shariati说，“它们几乎不需要我们的输入——就好像细胞已经知道该怎么做，我们只是稍加引导。”
可编程性：系统研究基因功能的新平台
该模型被称为“可编程胚胎模型”，体现在两个层面：
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初始编程：通过选择靶向不同的基因组合，研究者可引导细胞形成特定的细胞谱系构成；
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时间控制：可在发育过程中不同时间点，激活或抑制其他关键基因，观察其对后续发育的级联效应。
作为概念验证，研究者展示了特定基因的扰动如何影响早期组织形成。该方法可系统性地筛选与早期发育失败相关的基因突变，识别哪些基因在何时、何种细胞类型中发挥关键作用。
“我认为这是这项研究的开创性之处——可编程性，以及我们不依赖外部因子来实现这一点，而是在细胞内拥有大量的控制能力，”Shariati强调。
应用前景：生殖障碍与跨物种研究
该平台为以下领域提供了新工具：
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生殖障碍研究：人类胚胎在着床前失败率远高于许多其他哺乳动物，原因尚不清楚。该模型可在体外模拟这一关键窗口，研究导致植入失败的分子瓶颈；
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发育毒性测试：可用于筛选药物、环境化学物对早期胚胎发育的影响，减少动物实验需求；
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跨物种发育生物学：研究者计划将该方法应用于其他物种（如濒危物种、经济动物），在无需获取真实胚胎的情况下研究其早期发育特征。
与真实胚胎的边界
研究团队明确指出，这些胚胎样结构不是真实胚胎，不具备发育为完整个体的潜能。它们仅模拟原肠胚前（pre-gastrulation）阶段的部分特征，且完全来源于实验室培养的干细胞系。该模型的伦理优势在于：提供了一种不涉及受精卵、不破坏胚胎的研究平台，同时能够进行高通量遗传筛选。
参考信息
Reference: “Self-organization of mouse embryonic stem cells into reproducible pre-gastrulation embryo models via CRISPRa programming” by Gerrald A. Lodewijk, Sayaka Kozuki, Clara J. Han, Benjamin R. Topacio, Seungho Lee, Lily Nixon, Abolfazl Zargari, Gavin Knight, Randolph Ashton, Lei S. Qi and S. Ali Shariati, 20 March 2025, Cell Stem Cell.
DOI: 10.1016/j.stem.2025.02.015