Nature：里程碑！首次揭示 人类胚胎发育开始的奥秘
2018-05-25 Flora 生物探索
每一个哺乳类、鸟类、爬行类动物的早期胚胎都包含一团具有非凡力量的细胞，被称为“组织者”（the organizer），负责引导胚胎的头尾、前后。生物学家们因为技术、伦理道德的约束，一直无法在人类胚胎中证实“组织者”的存在。现在，《Nature》一篇重磅文章，首次观察到胚胎中的这类细胞。
每一个哺乳类、鸟类、爬行类动物的早期胚胎都包含一团具有非凡力量的细胞，被称为“组织者”（the organizer），负责引导胚胎的头尾、前后。生物学家们因为技术、伦理道德的约束，一直无法在人类胚胎中证实“组织者”的存在。现在，《Nature》一篇重磅文章，首次观察到胚胎中的这类细胞。
图片来源：Nature
5月23日，来自于美国洛克菲勒大学的科学家们在《Nature》期刊发表了这一突破性研究。他们绕开人类胚胎研究的伦理限制，将人类干细胞移植至鸡胚胎中。最终，他们证实，借助这些组织者的发育能力，可以促使鸡胚胎发育出第二套神经系统。
文章作者、洛克菲勒大学的细胞生物学家Ali Brivanlou认为这一结果让人兴奋，因为他们发现来源于不同且相隔甚远的物种细胞可以共享发育指令。这意味着，组织者在数亿年间的进化中依然保守。doi：10.1038/s41586-018-0150-y
1胚胎组织者
关于“组织者”的研究有着很巧妙、传奇的开始。早在上世纪20年代初，德国胚胎学家Hans Spemann和学生Hilde Mangold试图研究脊椎动物的胚胎诱导过程。胚胎诱导是发育过程中通过细胞间的相互作用来决定细胞命运、使其定向分化的一个根本想象。
他们以蝾螈胚胎为研究材料，将胚胎的背唇细胞移植到其他蝾螈胚胎的腹部。结果发现，移植的背部细胞会“诱导”或者“组织”邻近的细胞发育成大脑和脊椎的初始细胞。Hans Spemann将这类胚胎细胞命名为组织者（有时候被称为Spemann organizers），它们会刺激受体胚胎发育出第二套神经系统。
“组织者”的发现被认为是发育生物学领域的最重要发现之一，1935年Hans Spemann因此杰出成果荣获诺贝尔生理学或医学奖。
2人类胚胎的探索
此后，科学家们陆续在青蛙、鸟和小鼠的胚胎中发现了类似的组织者。让大家真正好奇的是，人类胚胎中是否存在这一特殊的细胞群？受技术能力和学界规则的限制，科学家在实验室中观察、操作人类胚胎不得超过14天（国际准则以及英国法律设定的临界值），但是在这期间无法观察到组织者细胞，所以这一谜题一直未有答案。
在这项新研究中，Ali Brivanlou课题组与洛克菲勒大学的物理学家Eric Siggia团队合作找到了一个解决方案，绕开了“14天准则”。他们采集来自于人类胚胎的干细胞（拥有多向分化潜能的细胞），并将其放置于有特定图案（只有22毫米宽的小方格）的培养皿中培养，使其生成类似于胚胎的结构。
人类胚胎干细胞被诱导成类似于胚胎的结构，用于研究生命发育最初期的秘密（图片来源：Prof. Miodrag Stojkovic/SPL）
与此同时，他们还添加了一系列生长因子，促使其生成早期胚胎中拥有的各种细胞层。结果显示，在这一类似胚胎的结构中，存在一簇表达有组织者遗传特征的细胞。
Ali Brivanlou团队将这一簇细胞植入发育12小时的鸡胚胎（相当于发育14天的人类胚胎）。结果发现，随着鸡胚胎的生长，人类组织者细胞会引导邻近的鸡细胞分化并生成第二套鸡神经细胞。
神奇的是，这些来源于人类胚胎的组织者本身的命运是发育成非神经类组织，但是在被移植入鸡胚胎之后，它们会直接改变邻近鸡细胞的命运，使其发育成第二套神经系统。
科学家们发现，植入小鸡胚胎中的人类细胞（红色）能够组织第二个身体的发育。（图片来源：I. MARTYN ET AL.， NATURE 10.1038/S41586-018-0150-Y (2018)）
3其他学者的评议
伦敦大学学院的发育生物学家Claudio Stern认为这项研究是一个“技术进步”，将类似于组织者的细胞在人类胚胎之外培育，能够帮助研究人员解析这类细胞独特的信号能力。
Bar Harbor Jackson 实验室的干细胞研究员Martin Pera认为这一研究技术可以带来更多的探索，例如更好地理解人类胚胎的早期发育，从而找到导致流产的缺陷。
然而，Ali Brivanlou认为，这一代替方法并不能完全替代组织者在人类胚胎中的发育研究。未来，他希望进一步解析人类组织者细胞影响邻近细胞的细节。
原始出处：
I. Martyn, T. Y. Kanno, A. Ruzo,et al.self-organization of a human organizer by combined Wnt and Nodal signalling.Nature (2018)
doi:10.1038/s41586-018-0150-y.23 May 2018
doi:10.1038/s41586-018-0150-y.23 May 2018
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