一个大问题
当胚胎从原始细胞的一小块发育而成时，它将自己塑造成精确的、有空间组织的区域和组织。这就要求单个细胞通过释放和检测特殊的信号分子来进行远距离的协调。仅以这种间接方式交流的细胞如何能创建如此精确的模式呢?
这些新发现
加州理工学院的研究人员已经开发出一种方法，可以在培养皿中重现胚胎组织模式的细胞间通讯过程。通过这样做，他们建立了一种更简单、更容易理解的方法来观察和操作这个基本过程。利用这种方法，研究人员专注于一种名为Hedgehog信号通路的通信系统，该系统在不同的组织和器官中建立空间组织结构。他们发现该通路具有复杂的分子电路结构，有助于确保精确的模式。
这项工作是在生物学和生物工程学教授、霍华德·休斯医学研究所研究员、生物工程执行官员迈克尔·埃洛维茨的实验室里完成的。这项研究发表在5月4日出版的《科学》杂志上。
为什么它很重要?
Hedgehog基因通路对中枢神经系统、四肢以及许多其他器官和组织的正常发育至关重要。刺猬相关基因缺陷可导致发育性疾病。了解Hedgehog基因通路如何在太空中精确地组织细胞，将使研究人员能够预测该通路的行为，从而预测其对药物的反应。此外，在实验室中设计自模式细胞的新技术可以帮助开发新的方法来设计用于再生医学的空间复杂组织。
它是如何工作的
在胚胎中，某些细胞("senders")通过释放一种叫做形态因子的分子来传播信息，这种分子在细胞间环境中扩散并到达周围的细胞("受体")。离寄主较近的受者比离寄主较远的细胞获得更多的形态因子。细胞利用这些数量上的差异来确定它们的位置以及它们应该成为什么类型的细胞。这种看似不稳定的机制是如何一次又一次地产生完美图案的胚胎，一直是一个长期的谜。
研究人员在培养皿中制造了一层类似组织的细胞层，而不是处理一个复杂的胚胎——在这个胚胎中，许多过程同时发生，很难观察到并扰乱特定的基因。他们从小鼠成纤维细胞开始;成纤维细胞负责形成动物组织结构的框架。这些细胞是"blank slates"，意思是它们不会自己形成组织模式。然后，研究小组综合设计成纤维细胞，使其产生并对形态形成超音Hedgehog基因做出反应，而超音Hedgehog基因是细胞用来估计其在发育组织中的位置的。
在感应到超音Hedgehog基因后，每个细胞都会启动一组信号中继器，以改变自己的基因表达。研究小组通过基因改造使细胞在发出超音Hedgehog基因信号时发出蓝光，或者在接收到信号时发出黄色光。通过这种方式，他们可以实时地观察信息从一个细胞流向另一个细胞。
重要的是，这个新系统允许研究人员有效地重新连接路径，利用其架构帮助他们理解是什么特性使系统能够生成高度精确的空间模式。通过对该通路进行基因修饰，然后利用显微镜观察细胞的行为，研究人员发现Hedgehog通路具有一种不同寻常的分子结构，可以确保细胞间通讯的准确性。
这项研究的第一作者、博士后学者李普林(音译)说:“在生物学中，我们更善于把系统拆开，而不是把它们组装在一起。因此，在胚胎外部重建一个多细胞模式系统，可以揭示出用传统方法很难发现的原理
在这里，我们了解到Hedgehog基因系统的某些特性——曾经被认为是不可思议的，甚至是反直觉的——实际上以一种美丽的方式协同工作，以确保精确的图案，艾洛维茨说。这仅仅是个开始。有了这个系统，我们现在可以想象编程细胞产生更复杂的模式行为，使组织的设计成为可能，这是合成生物学的一个主要目标
细节
论文题目为“"Morphogen gradient reconstitution揭示Hedgehog基因通路设计原理”，论文的第一作者是"博士后李普林和前博士后马克森。其他合著者包括研究生王胜、前访问本科生陈思恒和前冲浪学生Vipul Vachharajani。资金是由霍华德休斯医学研究所提供,美国癌症协会博士后奖学金,国家儿童健康和人类发展研究所、国家研究所的关节炎和肌肉骨骼和皮肤疾病,美国陆军研究办公室,美国国家科学基金会,以及米勒德和穆里尔·雅各布斯遗传学和基因组学实验室加州理工学院。
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