在所有脊椎動物中，脊柱是骨架的基本支撐元素。它不僅是肌肉附着的位置而且還保護着脊髓和神經根。眾所周知，罕見的遺傳性疾病是由其發育缺陷引起。歐洲分子生物學實驗室(EMBL)巴塞羅那分部Ebisuya小組的研究人員現在創建了一個三維體外模型以模仿人類胚胎髮育過程中產生脊柱的前體結構的形成方式。
據了解，脊柱由33個椎體組成，它們由稱為體細胞的一對前體結構形成。體細胞不僅產生了我們的脊椎骨而且還產生了我們的肋骨和骨骼肌肉。為了確保這些結構的正確形成，體細胞的發育受到嚴格控制，每對體細胞在發育過程中的特定時間點上產生。分節時鐘是一組產生振蕩波的基因，它控制着這一過程，而每一次振蕩都會產生一對新的體細胞。
這項研究的論文第一作者Marina Sanaki-Matsumiya指出：“我們第一次能在實驗室中創建跟分節時鐘相關的人類成熟體細胞的周期性配對。”通過利用這種方法，研究人員開發了人類體細胞形成的三維體外模型–也被稱為“體節發生”。
創建一個強大的體細胞形成過程
研究小組在誘導細胞分化的信號分子雞尾酒的存在下培養了人類誘導多能幹細胞(hiPSC)。三天後，細胞開始拉長並形成前軸（頂部）和后軸（底部）。在這一點上，科學家們將Matrigel加入到培養混合物中。Matrigel就是一些科學家所說的神奇粉末：一種對許多發育過程至關重要的蛋白質混合物。這個過程最終導致了體細胞的形成，這在體外等同於人類體細胞的前體結構。
為了測試分節時鐘是否調節這些體細胞的體細胞形成，研究人員監測了參與這一過程的核心基因HES7的表達模式。他們發現了明顯的振蕩證據，特別是在體細胞發生即將開始的時候。形成的體細胞也有明顯的上皮化標記–這是它們成熟的一個重要步驟。
體細胞大小非常重要
Ebisuya小組研究了我們人類在胚胎髮育方面跟其他物種的不同之處以及原因。他們用來理解物種間差異的模型系統之一是分節時鐘。在2020年，該小組發現人類分節時鐘的振蕩周期比小鼠分割鍾長。
目前的研究還顯示了體細胞的大小跟分節時鐘之間的聯繫。“生成的體細胞具有恆定的大小，跟用於初始體細胞的細胞數量無關，”Sanaki-Matsumiya說道，“即使初始細胞數量增加，體細胞的大小也沒有增加。這表明，體細胞有一個首選的物種特定尺寸，這可能是由局部細胞-細胞相互作用、分節時鐘或其他機制決定的。”
為了進一步研究這個問題，Miki Ebisuya和她的小組現在正計劃培養不同物種的體細胞以進行比較。研究人員已經在研究幾個哺乳動物物種–包括兔子、牛和犀牛，並在實驗室建立了一個“幹細胞動物園”。
“我們的下一個項目將專註於創造不同物種的體細胞並測量它們的細胞增殖和細胞遷移速度以確定體細胞生成在物種之間有什麼不同以及如何不同，”Ebisuya說道。