脊柱是所有脊椎動物骨骼的中心支撐結(jié)構(gòu)，不僅為肌肉提供附著場所，還保護脊髓和神經(jīng)根。脊柱發(fā)育缺陷會導致罕見遺傳性疾病。歐洲分子生物實驗室(EMBL)巴塞羅那分部研究人員創(chuàng)建了一個3D體外模型，該模型模擬了人類胚胎發(fā)育過程中產(chǎn)生脊柱的前體結(jié)構(gòu)是如何形成的。研究成果近日發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。
脊柱由33塊椎骨組成，它們形成一種成對的、被稱為體節(jié)的前體結(jié)構(gòu)。體節(jié)不僅會產(chǎn)生椎骨，還會產(chǎn)生肋骨和骨骼肌。為了確保這些結(jié)構(gòu)正確形成，體節(jié)發(fā)育受到嚴格調(diào)控，每對體節(jié)都在發(fā)育的特定順序時間點出現(xiàn)。這個過程由分段時鐘控制，分段時鐘是一組產(chǎn)生振蕩波的基因，每個波都會產(chǎn)生一對新的體節(jié)。
“我們第一次能夠在實驗室中創(chuàng)建與分段時鐘相關的周期性人類成熟體細胞對。”該研究的第一作者瑪麗娜· 真木松宮說。使用這種方法，研究人員開發(fā)了人類體節(jié)形成的3D體外模型。
在誘導細胞分化的信號分子混合物存在的情況下，研究團隊培養(yǎng)了人類誘導多能干細胞 (hiPSC)。3天后，細胞開始伸長并產(chǎn)生前(頂部)和后(底部)軸。研究人員再將一種神奇粉末基質(zhì)膠添加到培養(yǎng)混合物中。這個過程最終導致了體外體節(jié)的形成。
研究團隊還研究了人類在胚胎發(fā)育方面與其他物種有何不同以及為何不同。他們用來理解種間差異的模型系統(tǒng)之一就是分段時鐘。此外。他們還發(fā)現(xiàn)了體節(jié)大小和分段時鐘之間的聯(lián)系。“生成的體節(jié)大小恒定，與用于初始體節(jié)的細胞數(shù)量無關。即使初始細胞數(shù)增加，體節(jié)大小也沒有增加。”真木松宮解釋道，這表明體節(jié)具有首選的物種特異性大小，這可能由局部細胞—細胞相互作用、分段時鐘或其他機制決定。
為了進一步研究這一點，研究團隊正計劃生長出不同物種的體節(jié)并進行比較。研究人員已在研究幾種哺乳動物，包括兔子、牛和犀牛，并在實驗室中建立了一個“干細胞動物園”。
研究人員表示，下一步將專注于從不同物種中創(chuàng)建體節(jié)，測量它們的細胞增殖和細胞遷移速度，以確定物種之間的體節(jié)生成有何不同以及如何不同。(科技日報記者 張夢然)
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