科学探索|科学家揭示了人类脊柱的起源科学家揭示了人类脊柱的起源

【科学探索|科学家揭示了人类脊柱的起源】在所有脊椎动物中，脊柱是骨架的基本支撑元素。它不仅是肌肉附着的位置而且还保护着脊髓和神经根。众所周知，罕见的遗传性疾病是由其发育缺陷引起。欧洲分子生物学实验室(EMBL)巴塞罗那分部Ebisuya小组的研究人员现在创建了一个三维体外模型以模仿人类胚胎发育过程中产生脊柱的前体结构的形成方式。

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据了解，脊柱由33个椎体组成，它们由称为体细胞的一对前体结构形成。体细胞不仅产生了我们的脊椎骨而且还产生了我们的肋骨和骨骼肌肉。为了确保这些结构的正确形成，体细胞的发育受到严格控制，每对体细胞在发育过程中的特定时间点上产生。分节时钟是一组产生振荡波的基因，它控制着这一过程，而每一次振荡都会产生一对新的体细胞。

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这项研究的论文第一作者Marina Sanaki-Matsumiya指出：“我们第一次能在实验室中创建跟分节时钟相关的人类成熟体细胞的周期性配对。”通过利用这种方法，研究人员开发了人类体细胞形成的三维体外模型--也被称为“体节发生” 。
创建一个强大的体细胞形成过程
研究小组在诱导细胞分化的信号分子鸡尾酒的存在下培养了人类诱导多能干细胞(hiPSC) 。三天后，细胞开始拉长并形成前轴（顶部）和后轴（底部）。在这一点上，科学家们将Matrigel加入到培养混合物中。Matrigel就是一些科学家所说的神奇粉末：一种对许多发育过程至关重要的蛋白质混合物。这个过程最终导致了体细胞的形成，这在体外等同于人类体细胞的前体结构。
为了测试分节时钟是否调节这些体细胞的体细胞形成，研究人员监测了参与这一过程的核心基因HES7的表达模式。他们发现了明显的振荡证据，特别是在体细胞发生即将开始的时候。形成的体细胞也有明显的上皮化标记--这是它们成熟的一个重要步骤。
体细胞大小非常重要
Ebisuya小组研究了我们人类在胚胎发育方面跟其他物种的不同之处以及原因。他们用来理解物种间差异的模型系统之一是分节时钟。在2020年，该小组发现人类分节时钟的振荡周期比小鼠分割钟长。
目前的研究还显示了体细胞的大小跟分节时钟之间的联系。“生成的体细胞具有恒定的大小，跟用于初始体细胞的细胞数量无关，”Sanaki-Matsumiya说道，“即使初始细胞数量增加，体细胞的大小也没有增加。这表明，体细胞有一个首选的物种特定尺寸，这可能是由局部细胞-细胞相互作用、分节时钟或其他机制决定的。”
为了进一步研究这个问题，Miki Ebisuya和她的小组现在正计划培养不同物种的体细胞以进行比较。研究人员已经在研究几个哺乳动物物种--包括兔子、牛和犀牛，并在实验室建立了一个“干细胞动物园” 。
“我们的下一个项目将专注于创造不同物种的体细胞并测量它们的细胞增殖和细胞迁移速度以确定体细胞生成在物种之间有什么不同以及如何不同，”Ebisuya说道。