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Science:揭示设定胚胎发育速度的时钟

来源:本站原创 2020-09-21 13:06

2020年9月21日讯/生物谷BIOON/---为什么有些物种的怀孕时间比其他物种长?在一项新的研究中,来自英国弗朗西斯-克里克研究所的研究人员找到了设定胚胎发育速度的时钟,并发现该机制基于蛋白的制造和分解方式。这些发现可以帮助我们了解不同的哺乳动物是如何进化而来的,并有助于改进再生医学的方法。相关研究结果发表在2020年9月18日的Science期刊上,论文标题为“Species-specific pace of development is associated with differences in protein stability”。

不同的发育时间尺度

所有哺乳动物都遵循同样的步骤从胚胎成长为成年个体。这涉及到一系列相同的事件,以相同的顺序,使用类似的基因和分子信号。然而,这些步骤的进展速度在不同物种之间有很大的不同。例如,运动神经元---控制肌肉运动的神经细胞--在小鼠中需要大约三天的时间来发育,但在人类中却需要一个多星期的时间来发育。
人类胚胎,图片来自Ed Uthman, MD/Wikipedia。

为了了解是什么控制了不同物种的胚胎发育速度,弗朗西斯-克里克研究所的James Briscoe、Teresa Rayon及其同事们首先在实验室利用胚胎干细胞培育出运动神经元,这样这样他们就可以在不受胚胎内环境影响的情况下,为这些细胞的发育计时。

通过使用小鼠和人类胚胎干细胞,他们观察到了物种之间发育速度的差异。人类运动神经元的形成时间是小鼠运动神经元的两倍以上,因此他们知道答案肯定在细胞本身,而不是周围的环境。

他们还通过将人类的DNA序列引入小鼠细胞中,检查是否是基因造成的。然而,这并没有改变小鼠的发育速度,因此答案也不在基因中。

在蛋白中寻找答案

相反,这些研究人员发现,蛋白分解和替换速度上的差异解释了这两个物种之间的发育速度差异。蛋白在细胞中不断地制造和分解,与人类细胞相比,小鼠细胞中这种情况发生的速度快了一倍。小鼠细胞中这种更快的蛋白周转速度是运动神经元形成速度更快的原因。

Rayon解释道,“人类和小鼠的运动神经元在胚胎发育过程中使用了相同的基因和分子,只是在人类中发挥作用的过程需要更长的时间。蛋白在人类胚胎中只是比小鼠胚胎更稳定,这就减缓了人类的发育速度。这就好比小鼠和人类的胚胎在读同样的乐谱,弹同样的曲子,但人类的节拍器比老鼠的节拍器跳得更慢。如今我们已经找到了这样的节拍器,我们想了解如何改变它的速度。”

这些结果对研究和治疗有何影响

了解控制发育速度的机制对再生医学和利用干细胞了解疾病有影响。能够加快或减慢干细胞的发育速度,可能有助于完善生产用于研究和治疗应用的特定类型细胞的方法,它还可能为减缓癌症等疾病中细胞的生长提供重要的新见解。

Briscoe说,“发育时间的变化,即所谓的异时性,在物种间身体形状和大小差异的进化中起着深刻的作用。例如,人类的大脑更大,这是因为它的细胞在胚胎发育过程中比小鼠的同等细胞生长的时间更长。因此,除了实际应用之外,了解胚胎发育的节奏是如何控制的,有可能帮助我们了解不同物种是如何进化的。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Teresa Rayon et al. Species-specific pace of development is associated with differences in protein stability. Science, 2020, doi:10.1126/science.aba7667.

2.Ryohei Iwata et al. Tempus fugit: How time flies during development. Science, 2020, doi:10.1126/science.abe0953.

3.Uncovering the clock that sets the speed of embryo development
https://medicalxpress.com/news/2020-09-uncovering-clock-embryo.html


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