科学家重建胚胎发育的早期阶段

最近，剑桥大学的研究人员，使用胚胎干细胞，重建了哺乳动物发育的早期阶段，表明细胞的一个临界量——不能太少但不是太多，是细胞自组织成正确结构以形成一个胚胎所必需的。相关研究结果发表在最近的《Development》。

　　

生物通报道：最近，剑桥大学的研究人员，使用胚胎干细胞，重建了哺乳动物发育的早期阶段，表明细胞的一个临界量——不能太少但不是太多，是细胞自组织成正确结构以形成一个胚胎所必需的。

所有有机体都是从胚胎发育而来：一个细胞分裂产生许多细胞。在这一过程的早期阶段，所有细胞看起来都一样，常常形成一种毫无特色的结构，通常是一个球体。然后，细胞开始“分化”成不同类型的细胞，并且空间不对称地隔开，形成一个轴，这个轴开始提供一种结构，使胚胎沿其发育。

在动物胚胎中，这一阶段之后的过程称为原肠胚形成：细胞的一种精心设计的运动，利用初始轴作为参考，定位头部和尾部，前面和后面。在这一过程中，细胞开始形成三种不同的层面：内胚层、中胚层和外胚层，决定着细胞将会发育成哪些组织或器官。

剑桥大学遗传学系的Alfonso Martinez-Arias教授，带领了这项研究，他指出：“原肠胚形成，被生物学教授Lewis Wolpert描述为‘你生命中真正最重要的事件’，因为它创造了一个有机体的蓝图。轴形成和原肠胚是启动一个有机体发育的两个中心过程，与胚胎有着千丝万缕的联系。我们已经在实验室中首次重现了这一过程。”

Martinez-Arias教授及其同事，在欧洲研究理事会和威康信托基金会的资助支持下，利用小鼠胚胎干细胞，重建了发育的这些早期阶段。胚胎干细胞，在20世纪80年代被发现（因此Martin Evans被授予2007年的诺贝尔生理或医学奖），由于其能够在培养基中产生所有类型的细胞，因此已经成为发育生物学、了解疾病和再生医学的一个重要工具。在过去的几年中，它们已经被用来“培养”器官，包括眼睛和大脑皮层；令人惊讶的是，这些结构的发育都不用轴。

2014年11月在《Development》发表的一项研究中，研究人员报道了一种方法，诱导细胞以它们在胚胎中的方式进行重组，从而产生一个轴，并模拟原肠胚形成的过程进行运动和组织。多年来，研究人员一直在制备胚胎干细胞聚合物，来获得某种细胞类型，例如红血细胞。然而，这些聚合物缺乏结构，不同的细胞类型以一种杂乱无章的方式出现。这是第一次有研究人员能够从胚胎干细胞聚合物，引起轴形成、空间组织和原肠胚样的运动。

研究人员表明，如果最初细胞聚集的数量类似于小鼠胚胎，细胞就形成一个单一的轴，作为模仿早期胚胎一系列事件的一个模板。通过控制细胞在特定时间看到的信号，研究人员能够影响它们将变成什么类型的细胞，它们如何被组织。例如，在其中一项实验中，在正确的时间激活一个特定信号，可引起中胚层、内胚层和外胚层（所有细胞类型的前体细胞）的出现，具有与胚胎相似的空间组织。

利用该实验系统，研究人员能够产生一个脊髓的早期阶段，他们表明，这种形式是原肠胚过程的一部分。这一发现，补充了以前爱丁堡大学和国家医学研究所的研究，表明胚胎干细胞可以被诱导成为这种脊髓细胞；然而，剑桥的研究人员发现，在胚胎状的聚合物中，结构组织更强大，可允许组织的极化生长。

Martinez-Arias教授补充说：“这是早期，但是这一系统对发育的早期阶段、以及什么决定着不同细胞类型的特化，提供了深刻见解。最重要的是，该系统将提供一种手段，用实验方法检测一个细胞同类组如何在空间中组织，这是任何生物体发育的中心过程。”

（生物通：王英）

延伸阅读：PLOS：线虫发育时序的关键调节因子

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