体外胚胎发生
多能胚胎干细胞(ESCs)可以分化成任何成年细胞类型；然而，当在培养中生长时，这些细胞的聚集体并不能模拟胚胎结构。为了观察小鼠ESCs及其胚外对应物——滋养层干细胞(TSCs)是否能重现正常发育，Harrison等人将ESCs和TSCs组合在细胞外基质培养中(参见Pera的观点)。由此产生的"ETS-胚胎"与正常胚胎表现出相当的相似性，甚至在胚胎和胚外区域边界处特异性地形成了中胚层和原始生殖细胞。这些ETS-胚胎是研究哺乳动物胚胎发生的遗传可操作工具。
《科学》杂志，本期第eaal1810页；另见第137页
结构化摘要
引言
早期哺乳动物发育需要形成胚胎和胚外组织，以及它们之间高度协调的伙伴关系。这种密切的伙伴关系是成功构建胚胎结构的前提，其中胚胎组织生成胚胎本身的细胞，而胚外组织、滋养层和原始内胚层形成胎盘和卵黄囊。这些组成部分及其相互作用对于胚胎发育至出生至关重要。培养中的胚胎干细胞(ESCs)具有在引入早期胚胎时参与发育的潜力。然而，当单独在体外培养时，它们并不能重现早期胚胎发生的时空事件。
原理
我们假设，为了用干细胞忠实模拟哺乳动物胚胎发生中涉及的形态发生步骤，我们需要在三维(3D)细胞外基质(ECM)支架中建立ESCs和胚外滋养层干细胞(TSCs)之间的发育对话，可能替代原始内胚层通常提供的基底膜。
结果
我们在这样的3D基质上将胚胎和胚外干细胞组合在一起，发现这些细胞能够自我组装成一种结构，其发育和结构与自然胚胎相似，因此我们将其命名为体外ESCs和TSCs干细胞-胚胎(ETS-胚胎)。通过使用基因修饰的干细胞和特定抑制剂，我们确定了这些早期发育阶段中涉及的形态发生事件和信号通路。此外，我们表明，体外干细胞胚胎发生可以从植入阶段到胚层特化被分解为一系列关键步骤。首先是ESCs的自组织，导致ESC衍生胚胎区域的极化和腔形成，随后是TSC衍生胚外区域的空化。第二是胚胎和胚外腔室统一成相当于胚胎前羊膜腔的结构。第三是需要胚胎和胚外区域之间的对话，涉及Nodal信号，构建特征性胚胎结构。第四是胚胎区域的模式形成，通过在胚胎和胚外边界处中胚层标记物的局部表达来揭示，正如在自然胚胎中一样，这先于并依赖于Wnt信号。第五是在骨形态发生蛋白(BMP)信号依赖的方式下，在胚胎和胚外边界处指定一小簇类似原始生殖细胞的细胞。值得注意的是，体外干细胞胚胎发生中的这些事件在空间和时间动态上与自然胚胎发生中发生的事件非常相似。
结论
在这项工作中，我们证明在3D ECM支架中建立胚胎和胚外干细胞之间的密切交叉对话对于自我组装成重现早期哺乳动物胚胎发生许多关键时空步骤的结构是必要且充分的。这种体外ETS-胚胎比单独使用ESCs以前可能的方式更准确地模拟胚胎结构和模式形成。它们还提供了一个简化的平台，用于剖析在发育过程中介导胚胎和胚外细胞之间关键交叉对话的物理、细胞和分子机制，因此是未来研究哺乳动物胚胎发生的强大工具。
体外干细胞-胚胎从植入到原肠胚形成阶段模拟小鼠胚胎发育。
(左)自然和ETS-胚胎的3D渲染。红色，Oct4；青色，Eomes。(右)自然和ETS-胚胎的平行发育。红色，ESC/上胚层；蓝色，TSC/滋养层/胚外外胚层细胞；绿色，原始内胚层/脏层内胚层细胞；深绿色，远端/前脏层内胚层(DVE/AVE)；米色，中胚层细胞；浅绿色，原始生殖细胞；黄线，基底膜/ECM。比例尺代表30μm。
摘要
哺乳动物胚胎发生需要胚胎和胚外组织之间复杂的相互作用，以协调形态发生与发育潜能的变化。在这里，我们将小鼠胚胎干细胞(ESCs)和胚外滋养层干细胞(TSCs)结合在一个三维支架中，生成了形态发生与自然胚胎非常相似的结构。通过使用基因修饰的干细胞和特定抑制剂，我们表明ESCs和TSCs衍生的胚胎——ETS-胚胎——的胚胎发生依赖于涉及Nodal信号的交叉对话。当ETS-胚胎发育时，它们会自发地在胚胎和胚外边界不对称地启动中胚层和原始生殖细胞标记物的表达，这是对Wnt和BMP信号的响应。我们的研究表明，不同类型的干细胞能够在体外自我组装，生成其形态发生、结构和组成细胞类型与自然胚胎相似的胚胎。
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