科學家重建胚胎發育的早期階段
日期:2014-11-06 09:26:49
最近,劍橋大學的研究人員,使用胚胎干細胞,重建了哺乳動物發育的早期階段,表明細胞的一個臨界量——不能太少但不是太多,是細胞自組織成正確結構以形成一個胚胎所必需的。
所有有機體都是從胚胎發育而來:一個細胞分裂產生許多細胞。在這一過程的早期階段,所有細胞看起來都一樣,常常形成一種毫無特色的結構,通常是一個球體。然后,細胞開始“分化”成不同類型的細胞,并且空間不對稱地隔開,形成一個軸,這個軸開始提供一種結構,使胚胎沿其發育。
在動物胚胎中,這一階段之后的過程稱為原腸胚形成:細胞的一種精心設計的運動,利用初始軸作為參考,定位頭部和尾部,前面和后面。在這一過程中,細胞開始形成三種不同的層面:內胚層、中胚層和外胚層,決定著細胞將會發育成哪些組織或器官。
劍橋大學遺傳學系的Alfonso Martinez-Arias教授,帶領了這項研究,他指出:“原腸胚形成,被生物學教授Lewis Wolpert描述為‘你生命中真正最重要的事件’,因為它創造了一個有機體的藍圖。軸形成和原腸胚是啟動一個有機體發育的兩個中心過程,與胚胎有著千絲萬縷的聯系。我們已經在實驗室中首次重現了這一過程。”
Martinez-Arias教授及其同事,在歐洲研究理事會和威康信托基金會的資助支持下,利用小鼠胚胎干細胞,重建了發育的這些早期階段。胚胎干細胞,在20世紀80年代被發現(因此Martin Evans被授予2007年的諾貝爾生理或醫學獎),由于其能夠在培養基中產生所有類型的細胞,因此已經成為發育生物學、了解疾病和再生醫學的一個重要工具。在過去的幾年中,它們已經被用來“培養”器官,包括眼睛和大腦皮層;令人驚訝的是,這些結構的發育都不用軸。
2014年11月在《Development》發表的一項研究中,研究人員報道了一種方法,誘導細胞以它們在胚胎中的方式進行重組,從而產生一個軸,并模擬原腸胚形成的過程進行運動和組織。多年來,研究人員一直在制備胚胎干細胞聚合物,來獲得某種細胞類型,例如紅血細胞。然而,這些聚合物缺乏結構,不同的細胞類型以一種雜亂無章的方式出現。這是第一次有研究人員能夠從胚胎干細胞聚合物,引起軸形成、空間組織和原腸胚樣的運動。
研究人員表明,如果最初細胞聚集的數量類似于小鼠胚胎,細胞就形成一個單一的軸,作為模仿早期胚胎一系列事件的一個模板。通過控制細胞在特定時間看到的信號,研究人員能夠影響它們將變成什么類型的細胞,它們如何被組織。例如,在其中一項實驗中,在正確的時間激活一個特定信號,可引起中胚層、內胚層和外胚層(所有細胞類型的前體細胞)的出現,具有與胚胎相似的空間組織。
利用該實驗系統,研究人員能夠產生一個脊髓的早期階段,他們表明,這種形式是原腸胚過程的一部分。這一發現,補充了以前愛丁堡大學和國家醫學研究所的研究,表明胚胎干細胞可以被誘導成為這種脊髓細胞;然而,劍橋的研究人員發現,在胚胎狀的聚合物中,結構組織更強大,可允許組織的極化生長。
Martinez-Arias教授補充說:“這是早期,但是這一系統對發育的早期階段、以及什么決定著不同細胞類型的特化,提供了深刻見解。最重要的是,該系統將提供一種手段,用實驗方法檢測一個細胞同類組如何在空間中組織,這是任何生物體發育的中心過程。”
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