Nature：利用人诱导性多能干细胞重建人体分节时钟
来源：本站原创 2020-04-03 23:40
2020年4月3日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自日本京都大学等研究机构的研究人员利用诱导性多能干细胞（ipsC）重建出人体分节时钟（segmentation clock），这是胚胎发育研究的焦点。相关研究结果于2020年4月1日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Recapitulating the human segmentati
2020年4月3日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自日本京都大学等研究机构的研究人员利用人诱导性多能干细胞（ipsC）重建出人体分节时钟（segmentation clock），这是胚胎发育研究的焦点。相关研究结果于2020年4月1日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Recapitulating the human segmentation clock with pluripotent stem cells”。
从受精卵的第一次分裂开始，复杂的蛋白和基因网络相互作用，以构建形成器官的细胞模式。就像钟表上的钟摆一样，每一次摆动和每个节拍都需要仔细对齐以维持形成生命的节奏。但是，我们对人类早期发育的许多理解都极为有限，一个关键原因是缺乏能够复制这些复杂生物过程的实验模型。
论文共同通讯作者、京都大学人类生物学高级研究所的Cantas Alev解释说，“比如，在人类受精大约20天后，一种称为‘体节发生（somitogenesis）’的过程开始了。这是胚胎发育出独特的称为'体节（somite）'的节段并决定了身体的基本节段模式的时候。体节最终有助于椎骨和肋骨的形成。”
体节的出现是由分节时钟决定的，分节时钟是一种控制和指导它们出现的遗传振荡器。尽管已在小鼠、小鸡和斑马鱼中研究了分节时钟基因及其在发育中的作用，但在人类中几乎没有关于它们的任何知识。
解决此问题的一种方法是使用干细胞重建分节时钟。在这项新的研究中，这些研究人员着手利用人ipsC细胞形成前体节中胚层细胞（pre-somitic mesoderm, PSM），即体节的前体细胞。
Alev继续说道，“我们首先模拟早期发育过程中活跃的信号通路。通过利用我们在胚胎学中的知识，我们成功地培育出PSM及其后代的培养物。研究以有节律的模式表达的基因不仅表明它们在五个小时内振荡，而且还揭示了我们寻找的分节时钟的新遗传成分。”
除了简单的基因振荡外，这些研究人员还重现了分节时钟的第二个特征，即表达波。随后，他们使用基因编辑技术评估了与脊柱变形有关的关键基因的功能。
不出所料，这些基因发生的突变极大地改变了分节时钟的各个方面，包括同步和振荡。接着，他们进一步培育出源自携带上述遗传缺陷的患者的ipsC细胞，鉴定出所涉及的突变并进行了校正。
这项研究展示了ipsC细胞如何优雅地用于概括人类胚胎发育和其他复杂生物过程的各个方面。
Alev说，“和许多发育生物学家一样，我对胚胎和胚胎发育很感兴趣。复杂的器官和组织是从非常简单的初始结构形成的，这个形成过程的优雅和美丽令人震惊。我希望重建和分析胚胎发育的许多其他方面，并扩展我们对人类和非人动物发育仍然有限的了解。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Mitsuhiro Matsuda et al. Recapitulating the human segmentation clock with pluripotent stem cells. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2144-9.
2.Using iPS cells to decipher the timing at the beginning of life
https://phys.org/news/2020-04-ips-cells-decipher-life.html
图片来自Kyoto University/Cantas Alev/Misaki Ouchida。
从受精卵的第一次分裂开始，复杂的蛋白和基因网络相互作用，以构建形成器官的细胞模式。就像钟表上的钟摆一样，每一次摆动和每个节拍都需要仔细对齐以维持形成生命的节奏。但是，我们对人类早期发育的许多理解都极为有限，一个关键原因是缺乏能够复制这些复杂生物过程的实验模型。
论文共同通讯作者、京都大学人类生物学高级研究所的Cantas Alev解释说，“比如，在人类受精大约20天后，一种称为‘体节发生（somitogenesis）’的过程开始了。这是胚胎发育出独特的称为'体节（somite）'的节段并决定了身体的基本节段模式的时候。体节最终有助于椎骨和肋骨的形成。”
体节的出现是由分节时钟决定的，分节时钟是一种控制和指导它们出现的遗传振荡器。尽管已在小鼠、小鸡和斑马鱼中研究了分节时钟基因及其在发育中的作用，但在人类中几乎没有关于它们的任何知识。
解决此问题的一种方法是使用干细胞重建分节时钟。在这项新的研究中，这些研究人员着手利用人ipsC细胞形成前体节中胚层细胞（pre-somitic mesoderm, PSM），即体节的前体细胞。
Alev继续说道，“我们首先模拟早期发育过程中活跃的信号通路。通过利用我们在胚胎学中的知识，我们成功地培育出PSM及其后代的培养物。研究以有节律的模式表达的基因不仅表明它们在五个小时内振荡，而且还揭示了我们寻找的分节时钟的新遗传成分。”
除了简单的基因振荡外，这些研究人员还重现了分节时钟的第二个特征，即表达波。随后，他们使用基因编辑技术评估了与脊柱变形有关的关键基因的功能。
不出所料，这些基因发生的突变极大地改变了分节时钟的各个方面，包括同步和振荡。接着，他们进一步培育出源自携带上述遗传缺陷的患者的ipsC细胞，鉴定出所涉及的突变并进行了校正。
这项研究展示了ipsC细胞如何优雅地用于概括人类胚胎发育和其他复杂生物过程的各个方面。
Alev说，“和许多发育生物学家一样，我对胚胎和胚胎发育很感兴趣。复杂的器官和组织是从非常简单的初始结构形成的，这个形成过程的优雅和美丽令人震惊。我希望重建和分析胚胎发育的许多其他方面，并扩展我们对人类和非人动物发育仍然有限的了解。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Mitsuhiro Matsuda et al. Recapitulating the human segmentation clock with pluripotent stem cells. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2144-9.
2.Using iPS cells to decipher the timing at the beginning of life
https://phys.org/news/2020-04-ips-cells-decipher-life.html
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