Nature:决定细胞命运的因素新发现

日期: 2018年05月25日


    

导读:这一发现证实,在整个动物界,指导发育中胚胎细胞命运的这一簇细胞从进化上是保守的。赛业小编为您推荐“Nature:决定细胞命运的因素新发现 ”,详情如下:


决定一个细胞命运的因素是什么?这个问题正如人的命运一样,依然是一个谜。为什么人类胚胎中的一个干细胞会分化成神经元而不是肌肉细胞?另一个细胞为什么构建的是软骨而不是心脏组织?


洛克菲勒大学的一个研究团队在Ali H. Brivanlou的指导下完成了一项最新发现,揭示了细胞命运决定的分子环路。这一研究成果公布在5月24日的Nature杂志上,为研究人类发育最早阶段奠定了新的平台,将可能为各种疾病带来新的治疗方法。

 

在活的嫁接的鸡胚中的人胚胎干细胞(红色)


组织天才


我们知道,胚胎干细胞可以分化成人体任何特化的细胞类型:比如骨骼和脑,肺和肝脏。


而且在两栖类和鱼类胚胎中发现的特殊细胞群在塑造早期发育结构中起着执行作用。这些被称为“组织者”的细胞群能发出分子信号,引导其他细胞以特定的方式生长和发育。当一个组织者从一个胚胎移植到另一个胚胎时,它会刺激它的新主体产生次级脊柱和中枢神经系统,并形成脊髓和大脑。


然而,由于伦理条款的约束,限制了对人类胚胎的实验,目前科学家们尚不清楚人体内是否也存在类似的组织者。


为了研究这一可能性,Brivanlou和他的团队展开了一系列人造人类胚胎的实验:他们在人类胚胎干细胞培育生长大约一毫米的细小细胞群。尽管与自然界的对应物相差甚远,但这些人造模拟物含有许多存在于真正人类胚胎中的细胞和组织,可以用作真实事物的实验替身。


此前的研究表明,三种不同的信号传导途径能驱动动物(如小鼠和青蛙)的早期胚胎发育。Brivanlou等人激活了培养皿中的人造人胚胎中的这些通路,发现相同的分子信号也可以诱导人类细胞的发育。当以正确的顺序给予这些信号时,人造胚胎甚至能产生了它们自己的组织者。


但是,培养皿的细胞并不是真实的细胞。


为了验证他们的这一发现,研究人员将人造人胚胎移植到真正的鸡胚上,在此之前他们用荧光标记标记人类细胞,这样就能在显微镜下精确追踪细胞。


接下来发生的事让他们感到震惊。


令人惊讶的发现


将细胞从一个物种移植到另一个物种并不容易:这一研究团队以前曾尝试将人造人类胚胎与真正的小鼠胚胎结合,结果证明这非常困难,并且还没有人成功的将人类胚胎细胞嫁接到早期鸟类胚胎上。


然而,他们做到了,在他们将胚胎移植过去之后,人类细胞就为生成第二脊柱和神经系统迈出了第一步,这一行为清楚地指向了一个真正的人类组织者的存在。


“令我惊讶的是,移植不仅存活了下来,而且实际上还生成了这些美丽的组织结构,”Brivanlou说。

 
人类特异性核抗原染色鸡胚

之后更令他惊讶的是这些结构的出处,因为尽管最终构成第二脊柱的软骨和骨组织的祖细胞完全由人类细胞组成,但最终形成伴随的脊髓和脑的神经组织的起点是由鸡的细胞组成。


Brivanlou认为,人类细胞能够在鸡胚(鸡是一种与恐龙亲缘关系更近的动物)中建立新的结构,这表明动物细胞选择特定命运的能力已经存在了数亿年。


这些人类细胞能够指导鸡细胞分化为神经组织的事实也表明,参与细胞通信的分子,也就是细胞相互传递以影响它们命运的实际信号已经存在很多年了。


Brivanlou说:“一旦将人类组织者移植到鸡胚胎中,就能指导鸡细胞建立大脑和神经系统,这与两栖动物和鱼类所采用的方式相同。”


再生医学


了解未分化干细胞如何成为特定类型的组织对于再生医学至关重要,这种医学方法需要基于干细胞的技术治愈和恢复衰老组织,甚至用新生的组织替代它们。


此外,Brivanlou等人发明的移植方法也是研究人类早期发育阶段的强大新工具,利用这一工具,研究人员可以了解在生命的最初时刻具体什么时间点以及如何发生了错误。这样可以用于预防流产和出生缺陷,同时开发针对包括从癌症到糖尿病等疾病的新疗法。


“如果你想了解某些东西,你必须首先了解它的起源,”Brivanlou说,“如果我们想了解人类疾病的起源,我们必须找到分析人类细胞的方法。”


原文检索:


I. Martin et al., “Self-organization of a human organizer by combined Wnt and Nodal signalling,” Nature, doi:10.1038/s41586-018-0150-y, 2018.


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