水稻实验室显示，细胞信号通路动力学促进了胚胎的第一个模式
对于等待确定身份的年轻细胞来说，时间就是一切。
莱斯大学生物科学家Aryeh Warmflash和研究生Sapna Chhabra的研究表明，人类胚胎干细胞的同质菌落利用动态分子信号波在细胞间传递并触发它们分化。
一旦刺激，细胞开始组织成三个胚层-内胚层，中胚层和外胚层-最终成为一个胚胎。
一个代表中胚层的红细胞环出现在莱斯大学实验室开发的干细胞胃泌模型中
赖斯的发现反驳了1952年英国数学家艾伦·图灵(Alan Turing)的研究中提出的解释。图灵认为，信号梯度可以通过一种现在被称为图灵不稳定性的机制进行自组织。从理论上讲，这样的过程将允许一个稳定的分子梯度向每个细胞传递不同强度的信号。
瓦姆flash、Chhabra和他们的同事们发现，这种梯度在干细胞群中并不存在，而且这个过程比以前所认为的要动态得多。他们观察了有限的干细胞菌落，并使用数学模型来确定，这种机制不能解释他们看到的信号模式和波触发分化成胚层。这些层然后变成器官、骨头、皮肤和血液。
他们的工作详细发表在《公共科学图书馆·生物学》杂志上，研究了BMP、Wnt和节点信号通路之间的动态相互作用，这是一项长期研究的一部分，目的是解码单个受精细胞变成人类的过程。为了做到这一点，他们使用特殊的图案板，迫使干细胞在微小的圆形菌落中生长。
然后，研究人员可以观察、测量并扰乱这些菌落，因为它们在最早期阶段形成了分化细胞的模式，但从未发展到成为胚胎的地步。
莱斯大学的生物科学家建立的干细胞胃泌模型显示，明亮的细胞受到Wnt信号波的影响。细胞之间的黑色带状区域是通过计算从图像中移除的膜。由Warmflash实验室提供)
在目前的研究中，研究人员将BMP(骨形态发生蛋白)应用于菌落。通过这一途径传递的信号使细胞开始并保持一波细胞间的Wnt信号，这些信号从细胞边缘向菌落中心移动。
反过来，Wnt启动了一波独立向中心移动的节点信号。通过测量级联，研究人员发现，BMP信号的持续时间决定了
2中胚层在早期胚胎发育中的中层位置，而Wnt和节点信号上调了中胚层的分化。
他们报告说，信号通路之间的相互作用决定了中胚层环的起始和终止位置。
莱斯大学的研究生萨帕娜·查布拉领导了一项研究，该研究挑战了英国数学家艾伦·图灵在胚胎细胞信号传导方面的理论。杰夫·菲特洛拍摄
“我们知道这些重要的化学信号，但迄今为止，还没有人观察到这些信号在时空中的活动，”论文的第一作者查布拉(Chhabra)说。“通过对中胚层的研究，我们发现细胞的分化并不依赖于细胞所使用的化学信号的特定水平。
“目前，我们知道信号从菌落边缘开始并向内移动，而红色(染色的中胚层)细胞的位置与Wnt活动的峰值相关，”她说。“他们只能在一定的时间内做出反应。”
沃姆弗拉什说，信号到达蚁群中心的时间使它们无法像中胚层那样分化。“信号在移动，不断地填满整个蚁群，”他说。“但取决于何时到达特定的细胞，它们要么会响应，要么不会响应。”当波到达它们时，中心的细胞已经决定成为外胚层。”
研究人员观察到，这些细胞本身的迁移速度有一点慢，但远不如它们传递的改变命运的信号快。
沃姆弗莱什说，他们还发现，与那些已知在胚胎中变成胎盘细胞的细胞相比，这些位于蜂群外围的细胞非常匹配。
他说:“关于这些细胞是否代表类胎盘细胞，该领域存在相当多的争议。”“这是因为在我们的整个模型开始之前，就应该做出成为胚胎本身的干细胞或成为胎盘的决定。”
Aryeh Warmflash(左)和Sapna Chhabra。杰夫·菲特洛拍摄
查哈布拉检测了周边细胞通过RNA测序表达的基因，并将它们与最近发表的早期人类胚胎胎盘细胞的测序数据进行了比较。
瓦姆flash说:“这让我们在这篇论文中首次对这两者进行了比较。”“底线是，这些细胞是人类胎盘的良好模型，就像干细胞是人类胚胎的模型一样。它不是完美的，但它是一个相当好的模型。”
这篇论文的共同作者是Rice博士后研究员刘立中、Rice研究生孔祥宇和波士顿大学数学与统计学助理教授Ryan Goh。
赖斯、得克萨斯州癌症预防与研究所、西蒙斯基金会和国家科学基金会为这项研究提供了资金。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.rice.edu/2019/10/28/signaling-waves-determine-embryonic-fates-2/