胚胎“記住”它們遇到的化學(xué)物質(zhì)

我們都是從一堆相同的細(xì)胞開(kāi)始的。例如，當(dāng)這些細(xì)胞分裂和繁殖時(shí)，它們逐漸呈現(xiàn)不同的身份，并獲得形成肌肉組織、骨骼或神經(jīng)所需的特征。洛克菲勒科學(xué)家最近的一項(xiàng)研究為如何在發(fā)育過(guò)程中培養(yǎng)這些細(xì)胞身份提供了新的見(jiàn)解。

根據(jù)發(fā)表在eLife上的研究，細(xì)胞保留了對(duì)它們所暴露的化學(xué)信號(hào)的記憶。此外，研究人員表明，未能形成這些記憶的胚胎仍然是克隆的團(tuán)塊，從未意識(shí)到它們獨(dú)特的生物潛力。

激活胚胎

25年前，阿里布里萬(wàn)盧(Ali H. Brivanlou)證明了蛋白質(zhì)激活蛋白使胚胎青蛙細(xì)胞具有特定組織類型的特征，這一過(guò)程被稱為分化。幾十年來(lái)，人們一直認(rèn)為激活素可以促進(jìn)同質(zhì)細(xì)胞群向特化細(xì)胞的轉(zhuǎn)化。

而Brivanlou的Robin Harriet Heilbron教授說(shuō)：“激活蛋白是教科書上對(duì)分子的定義，對(duì)于分化來(lái)說(shuō)是必要和充分的?！薄把芯咳藛T已經(jīng)證明，蛋白質(zhì)的劑量決定了細(xì)胞的命運(yùn)。例如，在非常高的劑量下，你會(huì)得到腸道和肌肉；在非常低的劑量下，你會(huì)得到神經(jīng)組織?！?

盡管動(dòng)物研究已經(jīng)提供了足夠的證據(jù)，但關(guān)于激活素如何指導(dǎo)人類細(xì)胞的發(fā)育仍然存在疑問(wèn)。在布里萬(wàn)盧和埃里克西吉亞、維奧拉沃德布林寧教授和埃爾伯特卡爾霍恩布林寧教授的合作下，研究人員安娜約尼開(kāi)始研究蛋白質(zhì)是否能誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的人類胚胎分化。這些胚胎由干細(xì)胞發(fā)育而來(lái)，模仿人類細(xì)胞在發(fā)育早期的行為。

研究人員預(yù)計(jì)這些合成胚胎會(huì)像布里萬(wàn)盧的青蛙一樣做出反應(yīng)。然而，在激活素應(yīng)用于這些細(xì)胞后，他們沒(méi)有觀察到它。

“安娜把激活素放在胚胎上，我們等著——等啊等。什么都沒(méi)發(fā)生！這令人震驚，”布里萬(wàn)盧說(shuō)。

令人難忘的分子

毫不畏懼，約尼考慮了對(duì)她的結(jié)果可能的解釋。“我想，嗯，我們沒(méi)有得到動(dòng)視的回應(yīng)，”她回憶道?！拔覀冃枰男╊~外的信號(hào)才能看到差異化？”

她最終回到了WNT，這是一種在發(fā)育過(guò)程中調(diào)節(jié)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的分子。在她的下一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，她在添加激活素之前將細(xì)胞暴露于WNT；而且，這一次，他們以正常的方式進(jìn)行區(qū)分。

布里萬(wàn)盧說(shuō)：“看到WNT細(xì)胞對(duì)激活素有全面的反應(yīng)——就像我們?cè)谇嗤芎推渌麆?dòng)物身上看到的一樣?！薄暗菦](méi)有看到WNT的細(xì)胞根本沒(méi)有反應(yīng)，就好像激活素根本不存在一樣?！?

研究人員得出結(jié)論，分化需要WNT和激活素信號(hào)。然而，至關(guān)重要的是，他們表明細(xì)胞不需要同時(shí)暴露在這兩種化學(xué)物質(zhì)中。

“我們?cè)诩せ钏刂委熎陂g阻斷了WNT信號(hào)傳導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞仍在分化，”約尼說(shuō)?！八晕覀兊贸龅慕Y(jié)論是，細(xì)胞實(shí)際上記得它們之前接觸過(guò)WNT?！?

研究人員認(rèn)為，這種現(xiàn)象是“信號(hào)記憶”，因?yàn)閃NT似乎永久性地改變了通過(guò)其路徑的細(xì)胞。早期研究未能找到胚胎記憶的證據(jù)，因?yàn)椴祭锶f(wàn)盧說(shuō)，大多數(shù)發(fā)育生物學(xué)家使用動(dòng)物細(xì)胞。

“在動(dòng)物模型系統(tǒng)中，細(xì)胞會(huì)在像我這樣的人操縱它們之前遇到一系列信號(hào)。但是安娜的人工胚胎來(lái)自干細(xì)胞，而這些干細(xì)胞沒(méi)有這種暴露——這使得它們成為發(fā)現(xiàn)他人角色的完美工具。信號(hào)，”他說(shuō)?！熬拖衲Ｐ拖到y(tǒng)一樣美麗，有時(shí)它們會(huì)讓你錯(cuò)過(guò)任何東西?！?

研究人員希望進(jìn)一步探索細(xì)胞記憶的存儲(chǔ)方式和位置。約尼懷疑它們被記錄在細(xì)胞核中，作為表觀基因組的修飾，表觀基因組控制細(xì)胞讀出脫氧核糖核酸的方式。這一領(lǐng)域的其他研究可能對(duì)理解人類和其他物種的發(fā)展具有重要意義。

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