山中伸弥实验室发文阐述细胞联系对胚胎形成的关键作用

包括山中伸弥(Shinya Yamanaka)在内的格莱斯顿研究所iPS细胞研究中心的研究人员已经证明，细胞之间的紧密连接可能在人类胚胎原肠胚形成过程中起着关键作用。

　　

随着人类胚胎的生长，一组分子指导细胞繁殖，并在胚胎内获得特定的身份和空间位置。在一个被称为原肠胚形成的关键步骤中，这些信号分子引导单层胚胎干细胞形成三层不同类型的细胞，这些细胞随后将成为身体的不同部位。现在，格拉德斯通研究所iPS细胞研究中心的研究人员已经证明，细胞之间的紧密连接可能在人类胚胎的原肠胚形成中起着关键作用。

“这项研究对我们设计原肠胚形成模型的方式和其他将干细胞分化为特殊细胞类型的实验室技术具有令人兴奋的意义，”格莱斯顿大学高级研究员、该研究的高级作者Shinya Yamanaka博士说。“我们对胚胎中的信号机制了解得越好，我们就越容易以稳健、可重复的方式概括这些过程。”

该团队已经将他们的研究成果应用于开发将培养皿中的干细胞转化为人类卵细胞的新技术，这种策略有朝一日可能用于体外受精。

探索边缘

原肠胚形成为整个人体的发育奠定了基础。研究人员已经找到了在培养皿中重建这一基本过程的简化版本的方法，从一层诱导多能干细胞(iPS细胞)开始，iPS细胞是一种被重新编程以模仿胚胎干细胞的成年细胞，这意味着它们可以分化成体内的任何细胞类型。

然后，科学家们加入一种名为BMP4的蛋白质，这是原肠胚形成过程中的一种关键信号分子，它使培养皿中的细胞开始形成胚胎中发现的三层细胞。然而，由于所有的细胞似乎都接收到相同的BMP4信号，目前还不清楚为什么有些细胞转化为一种细胞类型，而另一些细胞则变成不同的细胞类型。

该研究的主要作者、格拉德斯通大学前博士后研究员Ivana Vasic博士说:“这在这个领域一直是一个令人头疼的问题。所有这些细胞要么对来自BMP4的相同信号有不同的解读，要么就没有真正得到相同的信号。”

Vasic在实验室中创建原肠胚形成模型时观察到，在培养皿中聚集在一起的iPS细胞含有蛋白质，这些蛋白质是细胞之间紧密连接的构建块，紧密连接是细胞之间的屏障。但她也注意到，紧密连接并不总是真正地聚集在一起。

Yamanaka、Vasic和他们的团队发现，在一个不那么受限制的空间中培养细胞，可以使紧密连接一致地组装起来。当他们将BMP4添加到未受限制的细胞中时，他们得到了:只有集群边缘的细胞接收到足够的BMP4来激活分子途径，从而推动它们成为不同的层细胞类型。

“相邻细胞之间的紧密连接似乎使它们不受BMP4信号的影响，”Vasic说。“但是边缘细胞在它们的外侧没有伙伴来形成紧密连接，这意味着它们从BMP4那里得到了最强的信号。”

为了证实紧密连接在原肠胚形成中的重要性，研究人员使用CRISPR基因组编辑技术来抑制TJP1的产生，TJP1是一种在iPS细胞中形成紧密连接至关重要的蛋白质。当他们将BMP4应用于缺乏TJP1蛋白的细胞时，每个细胞都被激活，而不仅仅是边缘细胞。

Yamanaka说:“我们发现，去除紧密连接会使所有细胞对BMP4产生反应。”Yamanaka也是加州大学旧金山分校的解剖学教授，也是日本京都大学iPS细胞研究与应用中心(CiRA)的名誉主任和教授。“这表明紧密连接阻止细胞对原肠形成模型中的信号做出反应，更根本的是，细胞的结构对它们如何接收分化信号非常重要。”

“总的来说，这项研究证明了对iPS细胞固有特性的扰动如何调节它们对细胞外信号的敏感性，并改变它们的细胞命运轨迹，”格拉德斯通大学前高级研究员、该研究的资深作者Todd McDevitt博士说。“这一原理可能会改变游戏规则，释放iPS细胞的潜力，产生更多同质的分化细胞群，用于治疗应用。”

在培养皿中培育卵细胞

研究小组仔细研究了在干扰紧密连接形成后被BMP4激活的细胞的身份。长期以来，研究人员一直在寻找一种可靠的方法来产生原始生殖细胞样细胞，但很难从iPS细胞中产生它们。Vasic和她的同事发现，抑制TJP1可以形成一种有效产生这些独特细胞的新方法的基础。现在，Vasic成立了一家新公司，Vitra Labs，将这种方法应用于治疗女性不孕症的新策略。

Vasic说:“我们偶然发现了一个非常令人兴奋的发现:事实证明，我们可以创造一种特殊类型的细胞，称为原始生殖细胞样细胞。这些干细胞是在实验室中产生的，类似于人类精子和卵细胞的前体。我们本质上是试图概括卵子生产的生物过程，这样我们就可以生产出人们可以用于体外受精的卵子。这是我们研究的锦上添花。”

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