賴斯大學(xué)的科學(xué)家表示，發(fā)育胚胎中的細胞如何溝通在很大程度上取決于環(huán)境。他們發(fā)現(xiàn)稱為WNT 的蛋白質(zhì)信號通路及其相互作用比以前認為的更具動態(tài)，因為不同細胞類型對相同信號的反應(yīng)顯著不同。研究人員已經(jīng)知道，WNT在細胞膜上傳遞信息，是生物體早期發(fā)育的核心，后來有助于穩(wěn)定成人細胞?，F(xiàn)在，他們正在更全面地了解該途徑的功能。

根據(jù)Rice生物科學(xué)家Aryeh Warmflash和研究生以及第一作者Joseph Massey的說法，在生命起點附近，WNT信號提供了來自細胞外的關(guān)鍵發(fā)育線索。這些細胞外WNT信號通過觸發(fā)影響細胞核中基因表達的β-連環(huán)蛋白來幫助指導(dǎo)細胞分化。

他們發(fā)現(xiàn)WNT途徑不僅可以聽取來自更廣泛觸發(fā)的信號，而且還可以在胚胎發(fā)育過程中影響新細胞類型的同一性，而這些新細胞類型本身也開始改變它們對WNT信號的解釋。

該研究發(fā)表在“ 美國國家科學(xué)院院刊”上。

“我們知道，正在發(fā)育中的細胞成為體內(nèi)所有不同類型的細胞，”梅西說。

“要在正確的時間和地點做到這一點，他們必須有某種位置定時線索，并相互分享信息，”他說。“雖然我們已經(jīng)了解了所涉及的一些蛋白質(zhì)的特性，但我們還沒有工具來理解它們。

“在這項工作中，我們使用現(xiàn)代基因編輯工具來觀察這些轉(zhuǎn)錄蛋白中的一些，即WNT信號通路中的那些，”他說。

Warmflash表示研究人員以前專注于更成熟的細胞。“他們說，'哦，好吧，WNT途徑可能在每個細胞中都是一樣的，所以讓我們把最簡單的細胞研究一下。'

“我們發(fā)現(xiàn)這是完全錯誤的，”他說。“WNT途徑在干細胞和分化細胞中是不同的。細胞可能調(diào)節(jié)WNT途徑的動態(tài)，使其在不同的環(huán)境中發(fā)揮不同的功能。”

該實驗室使用了由Warmflash開發(fā)的細胞培養(yǎng)技術(shù)和單個人多能干細胞的實時成像，以查看和收集胚胎培養(yǎng)物變化的數(shù)據(jù)到一個很好的程度。為了追蹤變化，他們使用CRISPR-Cas9基因編輯用綠色熒光蛋白標記β-連環(huán)蛋白，并觀察它們在細胞核中積累。

“我們發(fā)現(xiàn)信號動力學(xué) - 細胞如何對多能細胞中的信號提示做出反應(yīng)，這與我們研究的其他一些細胞類型的情況非常不同，”梅西說。“不僅如此，每當多能細胞開始分化為一種稱為原條的細胞時，對信號的反應(yīng)也非常不同。”

原始條紋是在胚胎發(fā)育早期形成的結(jié)構(gòu)，建立有機體的雙側(cè)對稱性并且作為原腸胚的焦點，其中多層分化開始。

“我們的研究首次強調(diào)了這種信號通路，動力學(xué)，細胞解釋這些信號的方式，非常依賴于環(huán)境，”梅西說。

研究人員調(diào)查了這些動態(tài)變化的一些原因。他們發(fā)現(xiàn)，通過改變生長素和骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)的水平，這兩者都是生長因子蛋白TGFβ“超家族”的成員，他們能夠改變β-連環(huán)蛋白信號傳導(dǎo)的動力學(xué)。由于TGFb因子也參與細胞分化，這可能是WNT信號在發(fā)育過程中動態(tài)變化的可能原因，Warmflash說。實驗證明了干細胞中β-連環(huán)蛋白信號傳導(dǎo)適應(yīng)不斷變化的環(huán)境的一種方式。

“有趣的是，所有這些發(fā)育途徑在整個生物體的發(fā)育過程中都會被回收用于不同的角色，”梅西說。“起初，WNT信號通路可能指定不同的組織在正確的位置成為正確的組織類型。后來，它維持成年人的體內(nèi)平衡或其他過程。

“真的，WNT途徑會做各種各樣的事情，”他說。“可能會發(fā)現(xiàn)信號的解釋方式與路徑所處的環(huán)境以及該路徑的實際情況有關(guān)。但在我們開發(fā)這些工具之前，很難再提出這些問題。”

Warmflash說，由于在人類癌癥中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)突變途徑，因此理解這種機制在很多方面都很重要。

他說：“自然路徑所做的事情比人們能夠構(gòu)建的東西復(fù)雜得多，復(fù)雜得多。” “如果你能理解它，你可以使用它。”

“我們?nèi)匀恢涣私庠缙陂_發(fā)工作的一小部分，”梅西說。“最終我們將能夠用越來越多的預(yù)測模型來解釋這些開發(fā)系統(tǒng)，并且為了達到目標，我們必須進行特定的定量測量。希望我們能夠更好地了解細胞如何使用通路進行通信，臨床醫(yī)生有朝一日可能會利用這些動力來治療疾病。”