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"人鸡胚胎"破生命奥秘 百年来首证"组织者"存于人体

时间:2018-05-25  来源:新浪科技综合  作者:新浪科技综合

来源:DeepTech深科技

不同种类的细胞是如何形成的?为什么人类胚胎中的一个干细胞会最终变成神经元而不是肌肉细胞?为什么有的干细胞会发育成软骨组织而不是心脏组织?一直以来,这些问题就像有关生命的“终极之问”一样考验着每一个人。

今天,洛克菲勒大学的科学家们在 Ali h。 Brivanlou 和 Eric d。 Siggia 的领导下进行的一项新研究终于揭示了决定细胞“命运”的分子环路。他们在 5 月 23 日的《自然》杂志上发表了一篇名为《Self-organization of a human organizerbycombined Wnt and Nodal signalling》的论文,使用“人鸡胚胎”首次验证了组织者(Organizer)——一种帮助组织并引导胚胎发育的细胞群在人体组织中存在的事实,使研究人类早期胚胎阶段的发展迈上了一个新的平台,并可能就此针对各种疾病开发一系列新的疗法。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0150-y

“组织者”

上世纪 20 年代初期,德国胚胎学家 Hans Spemann 和他的学生 Hilde Mangold 就开始探索胚胎干细胞如何分化成身体中的任何种类的细胞组织,包括骨骼、脑、肺和肝脏等等。

图丨德国胚胎学家 Hans Spemann

图丨德国胚胎学家 Hans Spemann

在 1924 年的蝾螈胚胎实验中,Spemann 和 Mangold 发现了一组独特的细胞群。当将其移植到另一种蝾螈胚胎时,它会诱导附近的细胞形成脑和脊髓的雏形——这个新的胚胎长成了一对连体蝾螈双胞胎。

这项研究被认为是发育生物学中最重要的研究之一,1935 年 Hans Spemann 也因“胚胎诱导”理念为发育生物学做出的贡献获得了诺贝尔生理学或医学奖。Brivanlou 对此评价道,“这项研究解答了 ‘脑和其他器官的发育信息是从哪里来的?’这个胚胎发育学问题”。

图丨蝾螈

图丨蝾螈

之后,科学家们还在其它两栖动物和鱼类胚胎中发现了类似的细胞群,这些细胞群在组织的早期结构发育方面起到了重要的塑造作用,因此被称为“组织者”(organizers)。它们发出分子信号,使其他细胞以特定的方式生长和发育。当一个组织者从一个胚胎移植到另一个胚胎时,“组织者”会刺激它的新宿主逐渐发育出一个包括脊髓和脑的中枢神经系统,组织者自身会发育为脊柱的骨骼等组织。

然而,要观察到一个人类组织者细胞,科学家不得不将培养胚胎的时间延长到 15-16 天。但是受限于国家层面的道德规范和法律,包括美国在内的很多国家都禁止科学家们利用已经发育了 14 天以上的人类胚胎做实验,因为这是胚胎不能再分裂的关键点,此时胚胎可以被视为一个个体。正是这些伦理等相关问题限制了直接用人类胚胎展开相应的实验。于是,科学家们开始积极寻找各种相类似的替代品。

为了验证是否可行,Brivanlou 和他的团队使用人造人类胚胎开展了一系列的实验。他们在实验室中用人类的胚胎干细胞培养出了一小团直径约为一毫米的细胞组织。尽管这些人造模拟组织与天然胚胎相差甚远,但它们仍然包含了许多存在于真正人类胚胎中的细胞和组织,并且可以作为实验性替代品。

图丨人类胚胎干细胞被诱导进入胚胎样结构

图丨人类胚胎干细胞被诱导进入胚胎样结构

过往的研究表明,三种不同的信号传导途径直接促进了小鼠和青蛙等动物的早期胚胎发育。通过激活人工胚胎中的这些通路,Brivanlou 和他的同事们发现,同样的分子信号也可以促进人类细胞的发育。更进一步来讲,如果按照正确的顺序给出这些信号,人工胚胎甚至会逐渐发育出自己的组织者。

但是,需要注意的是,这一切还只是在实验室中的操作,毕竟细胞在培养皿中的变化和在真正的胚胎里的变化之间还是有区别的。

于是,为了验证他们最初的实验发现,研究人员将人工胚胎移植到活鸡胚胎上,以进行更贴合人体研究。当然,他们事先用荧光标记标记了人类细胞,使研究人员能够在显微镜下更精确地对人类细胞进行追踪。

接下来发生的事情让他们大吃一惊。

各司其职

跨物种细胞移植绝不是一件容易的事,研究团队以前曾经尝试过让人造人类胚胎与小鼠胚胎相融合,但事实证明这极为困难,还从未有人成功将人类胚胎细胞移植到早期禽类胚胎中。

当人类胚胎细胞被移植到禽类宿主体内后,人类细胞便开始诱导脊柱与神经系统的基础性发育,很明显,这一行为标志着真正意义上的人类“组织者”形成。

“令我惊异的是,移植细胞不仅存活了下来,还进一步形成了完美的组织结构。”Brivanlou 表示。

图丨研究人员将人类细胞(红色) 植入一个鸡胚胎中

图丨研究人员将人类细胞(红色) 植入一个鸡胚胎中

然而令他惊奇的还远不止这些。来自人类的祖细胞会最终发育成软骨与骨骼组织,并形成第二脊柱,而最终会发育成脊髓和脑的神经组织则是完全来源于鸡细胞。

实际上,在 2016 年,Brivanlou 的小组就首次在培养皿中培养出只有十四天发育程度大小的人类胚胎。但是,他们不得不在胚胎能够开始一系列复杂的细胞重组、并能长出四肢和器官的这个节点上停止这个实验。换句话说,实验终止之前他们没能观察到“组织者”细胞是如何运作的。

吸取上次的经验,在最近的这次实验中,他的研究团队通过培育人造人类胚胎组织,巧妙的绕开了超过十四天便必须终止对人类胚胎的实验的规定。而这次在鸡胚胎上的培育结果与 1924 年的蝾螈实验结果非常相似。

据 Brivanlou 介绍,从物种上来看,禽类是一种更接近恐龙的动物,而非人类。人类细胞能够在禽类胚胎中形成新的结构,证明了动物细胞可以进行选择性发育,而这一能力一直被隐藏在百万年的进化历程中。

而那些被移植到鸡细胞中并最终发育为神经组织的人类细胞,也证明了细胞交流的存在。细胞通过相互之间传递信号来影响彼此的“命运”,这也是过去一直不为我们所知的。

“当你把组织者移植到鸡胚胎中,有一套‘语言’会用来引导禽类细胞发育为脑和神经系统,而这套‘语言’也同样适用于两栖生物和鱼类。”Brivanlou 表示。

英国伦敦大学学院的发育生物学家 Claudio Stern 称,这项工作是“很好的技术进步”,尽管它还有很大的局限性。在人类胚胎之外制造有组织细胞的方法可以帮助研究人员了解这些细胞独特的诱导功能。但是这种方法并不能真正的代替对胚胎中组织者细胞的研究,组织者细胞可以由更多样化的细胞组成,而不是只有来自干细胞群的细胞。为了研究组织者细胞,研究人员必须突破 14 天的伦理限制,这个突破直到最近才被认为在技术上是可行的。Stern 说:“如果我们能再多花一两天时间,我们就可以研究真正的组织者细胞了。”

图丨英国伦敦大学学院的发育生物学家 Claudio Stern

图丨英国伦敦大学学院的发育生物学家 Claudio Stern

英国剑桥大学发育生物学家 Ben Steventon 并未参与此项研究,他说,即使不是真正的组织者细胞,这种新方法仍可用于研究人类与其他物种在早期发育过程中细胞间的信号传递是如何变化的。

来自 Jackson 实验室的干细胞研究者 Martin Pera 对 Brivanlou 的研究称赞有加,他认为人鸡胚胎能为科学界带来以前的技术无法实现的效果。比如说,通过这项技术,科学家们能够更好的了解人类胚胎发育早期中的那些可能导致流产的生理缺陷。从另一方面说,这项技术激励科学家们把类似胚胎的结构和人工培养的人类干细胞进行比较,从而对干细胞的作用有更深入的了解。

可以说,人鸡胚胎成功避免了用真正的人类胚胎做实验会带来的道德和法律方面的限制。来自德国斯图加特的霍恩海姆大学(Universit?t Hohenheim)的发育生物学家 Martin Blum 十分喜欢这项技术。他认为这项技术的先进之处在于,我们不需要再用真正的人类胚胎就能进行研究了,处于发育初期的人类胚胎已经可以被人鸡胚胎所取代,后者还可以向科学家们提供更多的关于胚胎学的核心信息。

图丨发育生物学家 Martin Blum

图丨发育生物学家 Martin Blum

但是 Brivanlou 本人并不同意。在他看来,对真正胚胎的研究从来都不能被别的东西所取代,人鸡胚胎毕竟只是一种效仿真正人的胚胎的模型,而模型总是或多或少会忽略了一些细节的。他透露说,实验的下一课题是研究人类的“组织者”细胞是到底如何诱导周围的细胞的。如果这一课题有所进展,我们就能更好地了解如何将人类干细胞培育成具体的组织或结构,为需要再生器官和再生组织的治疗方案提供新的思路。Brivanlou 十分看好这对人类胚胎干细胞和鸡的组合,他期待尽早揭开更多人鸡胚胎的神秘之处。

了解起源才能向前

再生医学是仰赖干细胞的相关技术治疗和修复衰竭的组织,甚至是以新生的组织来取而代之,因此,了解未分化的干细胞如何成为特定类型的组织,对于再生医学至关重要。

此外,Brivanlou 跟团队提出基于小鸡的移植方法,可以称得上是研究人类早期发育阶段的一项强大的新工具,而这项工具他们也已经在其他研究中使用。他们的成果为正常细胞分化和组织形成的研究提供了一个窗口,可以帮助科学家了解在生命早期,问题是在什么时候、以及如何出现的。

与此同时,Brivanlou 计划利用他克隆的胚胎细胞来探索早期胚胎发育的关键步骤,并梳理出发育过程可能会出错的各种方式。他计划使用 CRISPR 基因编辑工具来引入致病性突变,并观察它们在某些最早发育阶段中的作用。他说,即使是 4 天窗口期,也足够他的团队培育并研究这些克隆胚胎。这项研究足够让几代人忙活了。”

因此,基于这项研究也可能发展出多种预防流产和出生缺陷的新方法,以及针对从癌症到糖尿病等疾病的新疗法。

“如果你想了解某些事情,你必须先了解它的根源,”Brivanlou 说。“如果我们想了解人类疾病的根源,我们就得在人类细胞的研究上下足功夫。”

-End-

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