脊柱是所有脊椎動(dòng)物骨骼的中心支撐結(jié)構(gòu)，不僅為肌肉提供附著場(chǎng)所，還保護(hù)脊髓和神經(jīng)根。脊柱發(fā)育缺陷會(huì)導(dǎo)致罕見(jiàn)遺傳性疾病。歐洲分子生物實(shí)驗(yàn)室(EMBL)巴塞羅那分部研究人員創(chuàng)建了一個(gè)3D體外模型，該模型模擬了人類胚胎發(fā)育過(guò)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(duì)的、被稱為體節(jié)的前體結(jié)構(gòu)。體節(jié)不僅會(huì)產(chǎn)生椎骨，還會(huì)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(yán)格調(diào)控，每對(duì)體節(jié)都在發(fā)育的特定順序時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)。這個(gè)過(guò)程由分段時(shí)鐘控制，分段時(shí)鐘是一組產(chǎn)生振蕩波的基因，每個(gè)波都會(huì)產(chǎn)生一對(duì)新的體節(jié)。

“我們第一次能夠在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建與分段時(shí)鐘相關(guān)的周期性人類成熟體細(xì)胞對(duì)。”該研究的第一作者瑪麗娜· 真木松宮說(shuō)。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(dǎo)細(xì)胞分化的信號(hào)分子混合物存在的情況下，研究團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)了人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (hiPSC)。3天后，細(xì)胞開始伸長(zhǎng)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(gè)過(guò)程最終導(dǎo)致了體外體節(jié)的形成。

研究團(tuán)隊(duì)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(lái)理解種間差異的模型系統(tǒng)之一就是分段時(shí)鐘。此外。他們還發(fā)現(xiàn)了體節(jié)大小和分段時(shí)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(xì)胞數(shù)量無(wú)關(guān)。即使初始細(xì)胞數(shù)增加，體節(jié)大小也沒(méi)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(xì)胞—細(xì)胞相互作用、分段時(shí)鐘或其他機(jī)制決定。

為了進(jìn)一步研究這一點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)正計(jì)劃生長(zhǎng)出不同物種的體節(jié)并進(jìn)行比較。研究人員已在研究幾種哺乳動(dòng)物，包括兔子、牛和犀牛，并在實(shí)驗(yàn)室中建立了一個(gè)“干細(xì)胞動(dòng)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(cè)量它們的細(xì)胞增殖和細(xì)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?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然)

標(biāo)簽： 3D體外模型 揭開人類脊柱起源 人類脊柱起源 研究成果