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胞開始的。例如，當(dāng)這些細胞分裂和繁殖時，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)家最近的一項研究為如何在發(fā)育過程中培養(yǎng)這些細胞身份提供了新的見解。

根據(jù)發(fā)表在eLife上的研究，細胞保留了對它們所暴露的化學(xué)信號的記憶。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塊，從未意識到它們獨特的生物潛力。

激活胚胎

25年前，阿里布里萬盧(Ali H. Brivanlou)證明了蛋白質(zhì)激活蛋白使胚胎青蛙細胞具有特定組織類型的特征，這一過程被稱為分化。幾十年來，人們一直認(rèn)為激活素可以促進同質(zhì)細胞群向特化細胞的轉(zhuǎn)化。

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

盡管動物研究已經(jīng)提供了足夠的證據(jù)，但關(guān)于激活素如何指導(dǎo)人類細胞的發(fā)育仍然存在疑問。在布里萬盧和埃里克西吉亞、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始研究蛋白質(zhì)是否能誘導(dǎo)實驗室生產(chǎn)的人類胚胎分化。這些胚胎由干細胞發(fā)育而來，模仿人類細胞在發(fā)育早期的行為。

研究人員預(yù)計這些合成胚胎會像布里萬盧的青蛙一樣做出反應(yīng)。然而，在激活素應(yīng)用于這些細胞后，他們沒有觀察到它。

“安娜把激活素放在胚胎上，我們等著——等啊等。什么都沒發(fā)生！這令人震驚，”布里萬盧說。

令人難忘的分子

毫不畏懼，約尼考慮了對她的結(jié)果可能的解釋?！拔蚁耄?，我們沒有得到動視的回應(yīng)，”她回憶道。“我們需要哪些額外的信號才能看到差異化？”

她最終回到了WNT，這是一種在發(fā)育過程中調(diào)節(jié)細胞運動的分子。在她的下一個實驗中，她在添加激活素之前將細胞暴露于WNT；而且，這一次，他們以正常的方式進行區(qū)分。

布里萬盧說：“看到WNT細胞對激活素有全面的反應(yīng)——就像我們在青蛙和其他動物身上看到的一樣?！薄暗菦]有看到WNT的細胞根本沒有反應(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。然而，至關(guān)重要的是，他們表明細胞不需要同時暴露在這兩種化學(xué)物質(zhì)中。

“我們在激活素治療期間阻斷了WNT信號傳導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)細胞仍在分化，”約尼說?！八晕覀兊贸龅慕Y(jié)論是，細胞實際上記得它們之前接觸過WNT?！?

研究人員認(rèn)為，這種現(xiàn)象是“信號記憶”，因為WNT似乎永久性地改變了通過其路徑的細胞。早期研究未能找到胚胎記憶的證據(jù)，因為布里萬盧說，大多數(shù)發(fā)育生物學(xué)家使用動物細胞。

“在動物模型系統(tǒng)中，細胞會在像我這樣的人操縱它們之前遇到一系列信號。但是安娜的人工胚胎來自干細胞，而這些干細胞沒有這種暴露——這使得它們成為發(fā)現(xiàn)他人角色的完美工具。信號，”他說?！熬拖衲Ｐ拖到y(tǒng)一樣美麗，有時它們會讓你錯過任何東西?！?

研究人員希望進一步探索細胞記憶的存儲方式和位置。約尼懷疑它們被記錄在細胞核中，作為表觀基因組的修飾，表觀基因組控制細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理解人類和其他物種的發(fā)展具有重要意義。

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