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突破生殖細胞發育難題 提高國民生殖健康水平——記中華醫學科技獎醫學科學技術獎一等獎“生殖細胞發育的表觀遺傳調控機制及體外干預方法研究”
發布日期:2019-04-18 09:59:56 來源:中華醫學信息導報 作者: 瀏覽次數:

北京大學第三醫院的喬杰教授,帶領研究團隊進行的“生殖細胞發育的表觀遺傳調控機制及體外干預方法研究”成功獲得了2018年中華醫學科技獎醫學科學技術獎一等獎。研究團隊致力于婦產科及生殖健康相關臨床與基礎研究工作,圍繞著人類生殖細胞發育的表觀遺傳調控機制以及體外干預方法對生殖細胞質量的影響,綜合運用單細胞DNA甲基化組高通量測序技術等研究手段,探討了人類生殖細胞發育全過程的表觀遺傳特征,解析了原始生殖細胞、卵母細胞、精子和早期胚胎等各個關鍵發育階段的表觀遺傳調控規律,建立了人類生殖細胞發生發育過程中的DNA甲基化圖譜。研究成果發表在Nature 、Cell 等期刊,被國內外同行高度認可和引用,為指導改善生殖細胞體內、體外發育環境和促進輔助生殖技術的創新提供了技術支撐,為臨床疑難病例的診治奠定了理論基石。


頒獎現場

什么因素造成了生殖細胞質量下降?

隨著生育力低下人群日益增多,疑難雜癥日益龐雜,現有輔助生殖醫學診療手段面臨著理論和技術瓶頸,關鍵問題是目前人類對自身生殖細胞發育調控的機制缺乏系統了解,其中對表觀遺傳調控生殖細胞發育的分子機制知之甚少,造成生育力低下相關機制研究缺少基線數據,輔助生殖醫療技術的改革創新缺少理論支撐。

研究團隊在生殖醫學臨床工作中,發現多囊卵巢綜合征患者體內性激素水平的改變與其生殖細胞質量下降密切相關,利用小鼠模型進行研究,發現體內高水平脫氫表雄酮可引起卵細胞質量的損傷,而二甲雙胍治療可以減輕損傷,提示體內高雄激素環境可造成卵母細胞質量的可逆性改變,但是具體機制尚未闡明,初步推測高濃度脫氫表雄酮可能引起了卵母細胞的表觀遺傳學改變,這為進一步深入研究生育力低下的表觀遺傳學機制提供參考依據。

在生殖醫學輔助生殖技術實驗室工作中,植入前胚胎遺傳學診斷技術(PGD)是一種結合輔助生殖技術對體外培養的胚胎進行活檢、遺傳分析,挑選正常胚胎進行移植的技術,可以實現孕前對胚胎進行遺傳疾病的診斷,減少常規孕中期產前診斷發現異常而引產的痛苦。為了明確胚胎早期發育過程的遺傳穩定性,提供PGD 技術的臨床實施依據,課題組對同一枚受精卵發育的胚胎,先后在第3天卵裂期活檢及第5~7天囊胚期活檢,進行遺傳學的比較分析,證實胚胎在早期發育階段遺傳相對穩定,其中囊胚期遺傳特征更能代表胚胎后期發育潛能。

另外, 卵母細胞體外成熟和冷凍保存技術也是針對卵母細胞所實施的體外干預措施,常規用于女性生育力的保護保存,但是其表觀遺傳安全性有待系統評估,是否會造成生殖細胞質量下降一直備受爭議。團隊在基因組DNA總體甲基化層面,利用小鼠模型探討分析未成熟卵母細胞冷凍復蘇體外成熟后的卵母細胞與體內成熟的卵母細胞的全DNA總體甲基化水平,發現兩者的DNA總甲基化水平沒有差異,說明未成熟卵母細胞的冷凍保存對其后續成熟過程中DNA甲基化過程沒有顯著影響。


生殖細胞發育的表觀遺傳規律是什么?

基因組DNA甲基化作為一種重要的表觀遺傳修飾方式,是調控細胞分化發育過程中基因表達的主要機制之一,它并不改變基因序列,但是可以遺傳給后代,容易受外界環境的影響而發生改變,在胚胎發育、干細胞分化、癌癥發生等方面發揮著重要的作用。此前還沒有關于人類早期胚胎的DNA甲基化組的研究報道。課題組在國際上首次實現了對人類精卵、受精及早期胚胎發育過程中DNA甲基化組的系統研究,揭示了人類早期胚胎DNA去甲基化過程的異質性和其他獨特特點。

人類原始生殖細胞產生于胚胎發育的早期,是發育為成熟的精子和卵細胞的前體細胞,精卵結合后會發育成新的個體,并將遺傳物質傳遞給下一代以維持種族的延續。過去人們以小鼠作為模式動物進行研究,發現了復雜基因表達調控網絡和大規模DNA甲基化重編程對于早期胚胎以及原始生殖細胞發育的調控規律。但是由于物種間的差異,這些以小鼠為模型得出的調控規律是否適用于人類早期胚胎和原始生殖細胞的發育過程并不清楚。針對這一問題,課題組系統、深入地研究了人類多個胎兒發育階段原始生殖細胞DNA甲基化組,發現人類原始生殖細胞不同于小鼠原始生殖細胞的關鍵獨特特征。


如何解決生殖細胞的體外發育難題?

生殖細胞體外發育以獲得成熟配子一直是尚未攻克的難關,關鍵問題在于如何有效建立體外生長微環境,維持體外發育成熟。體外啟動其原始卵泡活化并促進小卵泡的生長非常重要。針對這一關鍵問題,課題組牽頭了973計劃,作為項目首席單位承擔的國家重大研究計劃“ 雌性生育力維持調節機制研究及生殖資源庫建立研究”,在國內率先開展了卵泡培養體系研究,探討了生長因子對卵泡發育的影響。在此項研究中,課題組利用恒河猴模型探討EGF、KL、bFGF等多種生長因子和卵泡生成激素(FSH)對體外誘導原始卵泡活化及卵母細胞發育的作用和機制,發現bFGF聯合FSH能更好地激活原始卵泡并促進卵母細胞早期發育,這為課題組后期對人卵巢皮質及卵泡的培養體系研究奠定了技術基礎,促進了人卵泡立體培養體系的優化和平臺的建立。


項目團隊合影


此外,課題組還結合前期研究結果,整合本項目中人類生殖細胞表觀遺傳組學數據和轉錄組學數據,搭建了世界首個人類生殖細胞發育研究數據庫網站,其中豐富的人類生殖細胞多組學數據是該網絡數據庫的獨特亮點。數據庫網址:http://www.devomics.org


生殖健康事關國計民生

項目深入挖掘人類生殖細胞發育的表觀遺傳分子調控分子機制,不僅為人類生殖細胞的表觀遺傳重編程、早期胚胎全能性的建立、干細胞向精卵定向分化以及DNA甲基化的隔代遺傳等問題的探究提供了理論基礎,也對輔助生殖技術的安全性評估、生殖障礙性疾病是否會遺傳給后代或隔代、反復流產與胚胎停育以及臨床上生殖細胞發育異常相關疾病等的研究具有非常重要的意義,并為促進臨床診療技術的創新和生殖醫學瓶頸的突破提供有力支撐。項目研究引領了我國人類生殖生物學研究和生殖醫學研究進入國際前列,國際影響力日益增強。2017年,Nature 刊發對中國生殖醫學領域的專訪,評價北京大學第三醫院生殖醫學中心在推動生殖醫學發展方面所做出的重要貢獻。

我國是人口大國,生殖健康事關國計民生,項目旨在加強基礎研究與科技創新,為進一步加強婦幼健康生育服務提供了理論基礎和政策性參考。研究通過舉辦學術會議和培訓班提高了生殖醫學從業人員的專業理論和醫療安全意識,通過新聞媒體等多層面的科普宣傳,使老百姓了解影響生育力的因素,提高了人民群眾生殖健康意識。更為重要的是,這一系列研究成果共同為國家制定科技發展戰略提供了重要的參考依據,為促成國家“十三五”重點專項“生殖健康與重大出生缺陷防控研究”的成功立項,提供了非常關鍵的科學證據和循證醫學證據,最終設立了“生育力下降的影響因素、調控機制、防治策略及關鍵技術研究”等十余個國家重點專項研發計劃的立項,體現了國家對本領域研究的重視,體現了我國對改善人口生育力、提高國民生殖健康和人口素質的決心,后續產出成果落地轉化后,將促進一系列疑難疾病診治技術的創新與發展,必將有力提高我國生殖生物學的基礎研究和生殖醫學的整體診療水平。(中華醫學信息導報韓靜、左舒穎整理)(摘自《中華醫學信息導報》2019年第34卷第7期)

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