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里程碑!Nature首次揭示:人类胚胎发育最初的奥秘

2018/05/25 来源:生物探索
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导读
每一个哺乳类、鸟类、爬行类动物的早期胚胎都包含一团具有非凡力量的细胞,被称为“组织者”(the organizer),负责引导胚胎的头尾、前后。生物学家们因为技术、伦理道德的约束,一直无法在人类胚胎中证实“组织者”的存在。现在,《Nature》一篇重磅文章,首次观察到胚胎中的这类细胞。


图片来源:Nature

5月23日,来自于美国洛克菲勒大学的科学家们在《Nature》期刊发表了这一突破性研究。他们绕开人类胚胎研究的伦理限制,将人类干细胞移植至鸡胚胎中。最终,他们证实,借助这些组织者的发育能力,可以促使鸡胚胎发育出第二套神经系统。

文章作者、洛克菲勒大学的细胞生物学家Ali Brivanlou认为这一结果让人兴奋,因为他们发现来源于不同且相隔甚远的物种细胞可以共享发育指令。这意味着,组织者在数亿年间的进化中依然保守。


doi:10.1038/s41586-018-0150-y

胚胎组织者

关于“组织者”的研究有着很巧妙、传奇的开始。早在上世纪20年代初,德国胚胎学家Hans Spemann和学生Hilde Mangold试图研究脊椎动物的胚胎诱导过程。胚胎诱导是发育过程中通过细胞间的相互作用来决定细胞命运、使其定向分化的一个根本想象。

他们以蝾螈胚胎为研究材料,将胚胎的背唇细胞移植到其他蝾螈胚胎的腹部。结果发现,移植的背部细胞会“诱导”或者“组织”邻近的细胞发育成大脑和脊椎的初始细胞。Hans Spemann将这类胚胎细胞命名为组织者(有时候被称为Spemann organizers),它们会刺激受体胚胎发育出第二套神经系统。

“组织者”的发现被认为是发育生物学领域的最重要发现之一,1935年Hans Spemann因此杰出成果荣获诺贝尔生理学或医学奖。

人类胚胎的探索

此后,科学家们陆续在青蛙、鸟和小鼠的胚胎中发现了类似的组织者。让大家真正好奇的是,人类胚胎中是否存在这一特殊的细胞群?受技术能力和学界规则的限制,科学家在实验室中观察、操作人类胚胎不得超过14天(国际准则以及英国法律设定的临界值),但是在这期间无法观察到组织者细胞,所以这一谜题一直未有答案。

在这项新研究中,Ali Brivanlou课题组与洛克菲勒大学的物理学家Eric Siggia团队合作找到了一个解决方案,绕开了“14天准则”。他们采集来自于人类胚胎的干细胞(拥有多向分化潜能的细胞),并将其放置于有特定图案(只有22毫米宽的小方格)的培养皿中培养,使其生成类似于胚胎的结构。


人类胚胎干细胞被诱导成类似于胚胎的结构,用于研究生命发育最初期的秘密(图片来源:Prof. Miodrag Stojkovic/SPL)

与此同时,他们还添加了一系列生长因子,促使其生成早期胚胎中拥有的各种细胞层。结果显示,在这一类似胚胎的结构中,存在一簇表达有组织者遗传特征的细胞。

Ali Brivanlou团队将这一簇细胞植入发育12小时的鸡胚胎(相当于发育14天的人类胚胎)。结果发现,随着鸡胚胎的生长,人类组织者细胞会引导邻近的鸡细胞分化并生成第二套鸡神经细胞。

神奇的是,这些来源于人类胚胎的组织者本身的命运是发育成非神经类组织,但是在被移植入鸡胚胎之后,它们会直接改变邻近鸡细胞的命运,使其发育成第二套神经系统。


科学家们发现,植入小鸡胚胎中的人类细胞(红色)能够组织第二个身体的发育。(图片来源:I. MARTYN ET AL., NATURE 10.1038/S41586-018-0150-Y (2018))

其他学者的评议

伦敦大学学院的发育生物学家Claudio Stern认为这项研究是一个“技术进步”,将类似于组织者的细胞在人类胚胎之外培育,能够帮助研究人员解析这类细胞独特的信号能力。

Bar Harbor Jackson 实验室的干细胞研究员Martin Pera认为这一研究技术可以带来更多的探索,例如更好地理解人类胚胎的早期发育,从而找到导致流产的缺陷。

然而,Ali Brivanlou认为,这一代替方法并不能完全替代组织者在人类胚胎中的发育研究。未来,他希望进一步解析人类组织者细胞影响邻近细胞的细节。

责编:艾曼

参考资料:

Elusive master organizer of human embryo growth seen for the first time

Hybrid human–chicken embryos illuminate key developmental milestone

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