科學(xué)家重建胚胎發(fā)育的早期階段
日期：2014-11-06 09:26:49
最近，劍橋大學(xué)的研究人員，使用胚胎干細(xì)胞，重建了哺乳動(dòng)物發(fā)育的早期階段，表明細(xì)胞的一個(gè)臨界量——不能太少但不是太多，是細(xì)胞自組織成正確結(jié)構(gòu)以形成一個(gè)胚胎所必需的。
所有有機(jī)體都是從胚胎發(fā)育而來(lái)：一個(gè)細(xì)胞分裂產(chǎn)生許多細(xì)胞。在這一過(guò)程的早期階段，所有細(xì)胞看起來(lái)都一樣，常常形成一種毫無(wú)特色的結(jié)構(gòu)，通常是一個(gè)球體。然后，細(xì)胞開(kāi)始“分化”成不同類型的細(xì)胞，并且空間不對(duì)稱地隔開(kāi)，形成一個(gè)軸，這個(gè)軸開(kāi)始提供一種結(jié)構(gòu)，使胚胎沿其發(fā)育。
在動(dòng)物胚胎中，這一階段之后的過(guò)程稱為原腸胚形成：細(xì)胞的一種精心設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)，利用初始軸作為參考，定位頭部和尾部，前面和后面。在這一過(guò)程中，細(xì)胞開(kāi)始形成三種不同的層面：內(nèi)胚層、中胚層和外胚層，決定著細(xì)胞將會(huì)發(fā)育成哪些組織或器官。
劍橋大學(xué)遺傳學(xué)系的Alfonso Martinez-Arias教授，帶領(lǐng)了這項(xiàng)研究，他指出：“原腸胚形成，被生物學(xué)教授Lewis Wolpert描述為‘你生命中真正最重要的事件’，因?yàn)樗鼊?chuàng)造了一個(gè)有機(jī)體的藍(lán)圖。軸形成和原腸胚是啟動(dòng)一個(gè)有機(jī)體發(fā)育的兩個(gè)中心過(guò)程，與胚胎有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。我們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中首次重現(xiàn)了這一過(guò)程。”
Martinez-Arias教授及其同事，在歐洲研究理事會(huì)和威康信托基金會(huì)的資助支持下，利用小鼠胚胎干細(xì)胞，重建了發(fā)育的這些早期階段。胚胎干細(xì)胞，在20世紀(jì)80年代被發(fā)現(xiàn)（因此Martin Evans被授予2007年的諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)），由于其能夠在培養(yǎng)基中產(chǎn)生所有類型的細(xì)胞，因此已經(jīng)成為發(fā)育生物學(xué)、了解疾病和再生醫(yī)學(xué)的一個(gè)重要工具。在過(guò)去的幾年中，它們已經(jīng)被用來(lái)“培養(yǎng)”器官，包括眼睛和大腦皮層；令人驚訝的是，這些結(jié)構(gòu)的發(fā)育都不用軸。
2014年11月在《Development》發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究人員報(bào)道了一種方法，誘導(dǎo)細(xì)胞以它們?cè)谂咛ブ械姆绞竭M(jìn)行重組，從而產(chǎn)生一個(gè)軸，并模擬原腸胚形成的過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和組織。多年來(lái)，研究人員一直在制備胚胎干細(xì)胞聚合物，來(lái)獲得某種細(xì)胞類型，例如紅血細(xì)胞。然而，這些聚合物缺乏結(jié)構(gòu)，不同的細(xì)胞類型以一種雜亂無(wú)章的方式出現(xiàn)。這是第一次有研究人員能夠從胚胎干細(xì)胞聚合物，引起軸形成、空間組織和原腸胚樣的運(yùn)動(dòng)。
研究人員表明，如果最初細(xì)胞聚集的數(shù)量類似于小鼠胚胎，細(xì)胞就形成一個(gè)單一的軸，作為模仿早期胚胎一系列事件的一個(gè)模板。通過(guò)控制細(xì)胞在特定時(shí)間看到的信號(hào)，研究人員能夠影響它們將變成什么類型的細(xì)胞，它們?nèi)绾伪唤M織。例如，在其中一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，在正確的時(shí)間激活一個(gè)特定信號(hào)，可引起中胚層、內(nèi)胚層和外胚層（所有細(xì)胞類型的前體細(xì)胞）的出現(xiàn)，具有與胚胎相似的空間組織。
利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究人員能夠產(chǎn)生一個(gè)脊髓的早期階段，他們表明，這種形式是原腸胚過(guò)程的一部分。這一發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)充了以前愛(ài)丁堡大學(xué)和國(guó)家醫(yī)學(xué)研究所的研究，表明胚胎干細(xì)胞可以被誘導(dǎo)成為這種脊髓細(xì)胞；然而，劍橋的研究人員發(fā)現(xiàn)，在胚胎狀的聚合物中，結(jié)構(gòu)組織更強(qiáng)大，可允許組織的極化生長(zhǎng)。
Martinez-Arias教授補(bǔ)充說(shuō)：“這是早期，但是這一系統(tǒng)對(duì)發(fā)育的早期階段、以及什么決定著不同細(xì)胞類型的特化，提供了深刻見(jiàn)解。最重要的是，該系統(tǒng)將提供一種手段，用實(shí)驗(yàn)方法檢測(cè)一個(gè)細(xì)胞同類組如何在空間中組織，這是任何生物體發(fā)育的中心過(guò)程。”
