北京時(shí)間1月9日，發(fā)表在《Nature》上的一項(xiàng)新研究中，美國(guó)哈佛大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)涉及到椎骨的胚胎發(fā)育時(shí)，時(shí)間決定了一切。

這項(xiàng)新的人體外細(xì)胞和小鼠細(xì)胞活體成像技術(shù)表明，一種特定的時(shí)鐘基因Hes7在隨時(shí)間延遲振蕩，從而在脊椎動(dòng)物中形成脊椎、脊柱和枕骨。它揭示了細(xì)胞內(nèi)部通信在正常發(fā)育過(guò)程中是如何被調(diào)控和定時(shí)的，以及涉及到的化合物。該研究確定的人類(lèi)分段時(shí)鐘的工作機(jī)制，是理解人類(lèi)發(fā)育生物學(xué)的重要里程碑。

圖片來(lái)源：Nature

脊柱的節(jié)段組織是在胚胎發(fā)生的早期建立的，這時(shí)成對(duì)的體節(jié)由早熟的中胚層（PSM）有節(jié)奏地產(chǎn)生。體節(jié)形成的速度是由被稱(chēng)為分段時(shí)鐘的分子信號(hào)動(dòng)力學(xué)控制。雖然它在模式生物中已經(jīng)有了充分描述，但在人類(lèi)中是否也存在類(lèi)似的振蕩仍然未知。

在胚胎發(fā)育過(guò)程中，形成神經(jīng)和結(jié)締組織的細(xì)胞會(huì)排列在一起，并開(kāi)始表達(dá)相關(guān)基因。這一有規(guī)律和節(jié)奏的發(fā)生過(guò)程，發(fā)育生物學(xué)家稱(chēng)之為分段時(shí)鐘。它產(chǎn)生的重復(fù)結(jié)構(gòu)沿著身體的軸線(xiàn)排列，并形成脊椎和肋骨。

該研究合著者、日本京都大學(xué)綜合細(xì)胞材料科學(xué)研究所(ICeMS)的發(fā)育生物學(xué)家Ryoichiro Kageyama說(shuō)：“我們一直想要了解細(xì)胞內(nèi)的協(xié)調(diào)動(dòng)力學(xué)。到目前為止，這一過(guò)程只在快照（細(xì)胞的單個(gè)圖像）中研究過(guò)，還沒(méi)有使用過(guò)實(shí)時(shí)圖像?！?/p>

為此，該團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)系統(tǒng)來(lái)觀(guān)察逐個(gè)細(xì)胞的時(shí)鐘基因動(dòng)態(tài)。他們將一種新型熒光蛋白融合到Hes7上，觀(guān)察它如何在組織內(nèi)的每個(gè)細(xì)胞內(nèi)振蕩，此時(shí)，研究人員注意到了時(shí)間延遲。

他們使用發(fā)育正常的小鼠和失去關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子Lfng的小鼠進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)控制正常發(fā)育的信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程存在時(shí)間延遲。在信號(hào)發(fā)送器缺少Lfng的情況下，細(xì)胞內(nèi)的動(dòng)態(tài)不同步，并且如果接收器不具有LFNG，則動(dòng)態(tài)變得更小。在這兩種情況下，動(dòng)物發(fā)育都會(huì)受到影響。此前，已在先天性脊柱側(cè)凸病例中發(fā)現(xiàn)了人類(lèi)Lfng基因突變。

隨后的單細(xì)胞RNA測(cè)序顯示，人類(lèi)中胚層細(xì)胞在體外的發(fā)育軌跡與小鼠的發(fā)育軌跡相似。此外，該研究證明了FGF信號(hào)途徑控制振蕩的相位和周期，擴(kuò)展了該途徑的作用，超越了其在“時(shí)鐘和波前”模型中的經(jīng)典解釋。