塑造細(xì)胞命運(yùn)的因素，如完全形成的人的命運(yùn)，仍然是一個(gè)神秘的東西。例如，為什么人類胚胎中的一個(gè)干細(xì)胞會(huì)變成神經(jīng)元而不是肌肉細(xì)胞?為什么另一個(gè)人決定建造軟骨而不是心臟組織?

洛克菲勒科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在Ali H. Brivanlou的指導(dǎo)下進(jìn)行的新研究闡明了決定細(xì)胞命運(yùn)的分子電路。他們的作品出現(xiàn)在“自然”雜志上，為研究人類發(fā)展的最早階段建立了一個(gè)新的平臺(tái)，可以為各種疾病帶來(lái)新的治療方法。

組織天才

科學(xué)家已經(jīng)知道，胚胎干細(xì)胞可以分化成任何身體的特殊細(xì)胞類型：骨骼和腦，肺和肝臟。

他們還知道在兩棲動(dòng)物和魚類胚胎中發(fā)現(xiàn)的特殊細(xì)胞群在塑造早期發(fā)育結(jié)構(gòu)中起著重要作用。這些被稱為“組織者”的群體發(fā)出分子信號(hào)，指導(dǎo)其他細(xì)胞以特定方式生長(zhǎng)和發(fā)育。當(dāng)一個(gè)組織者從一個(gè)胚胎移植到另一個(gè)胚胎時(shí)，它會(huì)刺激它的新宿主產(chǎn)生一個(gè)二級(jí)脊柱和中樞神經(jīng)系統(tǒng)，完整的脊髓和大腦。

然而，由于限制人類胚胎實(shí)驗(yàn)的倫理準(zhǔn)則，他們不知道人類是否存在類似的組織者。

為了確定它是否可能，Brivanlou和他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列涉及人工胚胎的實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)室從人類胚胎干細(xì)胞生長(zhǎng)的細(xì)小細(xì)胞簇，大約一毫米。盡管這些人工仿真與它們的天然對(duì)應(yīng)物相差甚遠(yuǎn)，但它們?nèi)院性S多存在于真正人類胚胎中的細(xì)胞和組織，并且可以用作真實(shí)物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)替身。

以前的研究表明，三種不同的信號(hào)通路驅(qū)動(dòng)動(dòng)物的早期胚胎發(fā)育，如小鼠和青蛙。通過(guò)激活限制在培養(yǎng)皿中的人工胚胎中的這些途徑，Brivanlou和他的同事表明，相同的分子信號(hào)也可以促進(jìn)人體細(xì)胞的發(fā)育。當(dāng)以正確的順序給出這些信號(hào)時(shí)，人造胚胎甚至產(chǎn)生了他們自己的組織者。

然而，細(xì)胞在培養(yǎng)皿中可以做什么，以及它們將在真正的胚胎內(nèi)做什么之間存在差異。

為了驗(yàn)證他們的初步發(fā)現(xiàn)，研究人員因此將人工胚胎移植到真正的雞胚上 - 但是在他們用熒光標(biāo)記物標(biāo)記人類細(xì)胞之前不能讓他們?cè)陲@微鏡下精確跟蹤細(xì)胞。接下來(lái)發(fā)生的事情讓他們感到驚訝。

分工

將細(xì)胞從一個(gè)物種移植到另一個(gè)物種并不一定容易：該團(tuán)隊(duì)之前將人工胚胎與真正的小鼠胚胎結(jié)合起來(lái)的嘗試證明非常困難，并且沒(méi)有人成功地將人類胚胎細(xì)胞移植到早期的鳥類胚胎上。

然而，一旦它們被引入它們的禽類宿主，人類細(xì)胞就開(kāi)始為第二脊柱和神經(jīng)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ) - 這一行為清楚地宣告了真正的人類組織者的存在。

“令我驚訝的是，貪污不僅幸免于難，而且實(shí)際上產(chǎn)生了這些組織得很好的結(jié)構(gòu)，”Brivanlou說(shuō)。

他對(duì)這些結(jié)構(gòu)的來(lái)源更加驚訝。雖然最終將包含第二個(gè)脊柱的軟骨和骨組織的祖細(xì)胞完全由人類細(xì)胞組成，但最終形成其伴隨的脊髓和腦的神經(jīng)組織的起點(diǎn)僅由雞細(xì)胞組成。

根據(jù)Brivanlou的說(shuō)法，人類細(xì)胞能夠在鳥類的胚胎中構(gòu)建新結(jié)構(gòu)這一事實(shí) - 與恐龍關(guān)系比與我們更密切相關(guān) - 表明動(dòng)物細(xì)胞選擇特定命運(yùn)的能力已得到保護(hù)。數(shù)億年的進(jìn)化。

但是，這些相同的人類細(xì)胞能夠指導(dǎo)雛雞細(xì)胞成為神經(jīng)組織的事實(shí)也表明，參與細(xì)胞通訊的分子 - 細(xì)胞彼此發(fā)送以影響其命運(yùn)的實(shí)際信號(hào) - 已經(jīng)被保存了很長(zhǎng)時(shí)間。

“一旦你將人類組織者移植到雞胚中，它用來(lái)指導(dǎo)鳥類細(xì)胞建立大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的語(yǔ)言與兩棲動(dòng)物和魚類使用的語(yǔ)言完全相同，”Brivanlou說(shuō)。

回顧過(guò)去

了解未分化的干細(xì)胞如何成為一種特殊的組織對(duì)于再生醫(yī)學(xué)至關(guān)重要，再生醫(yī)學(xué)依賴于基于干細(xì)胞的技術(shù)來(lái)治愈和恢復(fù)衰竭的組織，甚至用新生的組織替代它們。

此外，Brivanlou和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)明的以雞為基礎(chǔ)的嫁接方法代表了一種強(qiáng)大的新工具，用于研究人類最早的發(fā)育階段 - 他們已經(jīng)在其他研究中使用的工具。通過(guò)提供正常細(xì)胞分化和組織形成的窗口，他們的方法應(yīng)該幫助科學(xué)家了解在生命的最初時(shí)刻事情何時(shí)以及如何出錯(cuò)。

反過(guò)來(lái)，這可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)防流產(chǎn)和出生缺陷的新方法，以及從癌癥到糖尿病等疾病的新療法。

“如果你想了解一些事情，你必須首先了解它的起源，”Brivanlou說(shuō)。“如果我們想要了解人類疾病的起源，我們必須開(kāi)發(fā)出與人體細(xì)胞一起工作的方法。”