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《Nature》重磅!首度揭秘胚胎發育「組織者」

2018/5/26 整理/編輯部

近(23)日,來自美國洛克菲勒大學(Rockefeller University)的科學家們在《Nature》發表了一篇重磅文章,他們突破了人類胚胎研究的倫理、技術限制,透過將人類幹細胞移植至雞胚胎中,證實了「組織者」(organizer)的發育能力,並促使雞胚胎發育出第二套神經系統。

動物胚胎「組織者」(organizer)早先由德國生物學家Hans Spemann所發現,他還因此在1935年獲得諾貝爾生理學與醫學獎。

Hans Spemann早年利用嬰兒頭髮進行蠑螈卵的結紮實驗,證明早期胚胎的各個細胞核在發育能力上沒有差別。隨後又以一系列的實驗證實,兩棲類原腸胚的被唇細胞能發揮「組織者」的作用,除去本身向一定方向分化外,還能誘導、「組織」鄰近的外胚層細胞,分化為神經組織,共同形成由脊索、肌肉、神經管組成的中軸構造。

Hans Spemann將這類胚胎細胞命名為組織者(有時也被稱為Spemann organizers),它們會刺激受體胚胎發育出第二套神經系統。

當時此現象稱為組織者效應(organiser effect),現在則稱為胚胎誘導(embryonic induction)現象,指發育過程中透過細胞間的相互作用,決定細胞命運、使其定向分化的一個想像假設。

1924年,Spemann-Mangold Organizers首度於科學界發表。(圖片取自https://goo.gl/MKxALa)

1924年,Spemann-Mangold Organizers首度於科學界發表。(圖片取自https://goo.gl/MKxALa

此後,科學家們陸續在哺乳類、鳥類、爬行類動物的早期胚胎中,發現類似的組織者細胞,負責引導胚胎的頭尾、前後。

而人類胚胎中是否存在這一特殊的細胞群?過去由於技術、倫理道德的限制,一直無法在人類胚胎中證實組織者的存在。科學家在實驗室中觀察、操作人類胚胎不得超過14天(國際準則以及英國法律設定的臨界值),但是在這期間無法觀察到組織者細胞,所以這一謎題一直未有答案。

如今,首次見證到了人類胚胎中的這類細胞。

文章作者、洛克菲勒大學的細胞生物學家Ali Brivanlou認為,這個結果另人興奮,因為他們發現來源不同且相隔甚遠的物種細胞,可以共用發育指令。這意味著,組織者在數億年間的進化中保守存在。

首度證實人類胚胎中的組織者

在這項新研究中,Ali Brivanlou團隊與洛克菲勒大學的物理學家Eric Siggia團隊合作,找到突破「14天準則」的一個解決方案。他們採集來自人類胚胎的幹細胞,並將其放置於有特定圖案(只有22毫米寬的小方格)的培養皿中培養,使其生成類似於胚胎的結構。

與此同時,添加一系列生長因子,促使其生成早期胚胎中擁有的各種細胞層。結果顯示,在這一類似胚胎的結構中,存在一團表達組織者遺傳特徵的細胞。

Ali Brivanlou團隊將這一團細胞植入發育12小時的雞胚胎(相當於發育14天的人類胚胎)。結果發現,隨著雞胚胎的生長,人類組織者細胞會引導鄰近的雞細胞分化並生成第二套雞神經細胞。

更特別的是,這些來源於人類胚胎的組織者本身,命運是發育成非神經類組織,但是在被移植入雞胚胎之後,它們會直接改變鄰近雞細胞的命運,使其發育成第二套神經系統。

倫敦大學學院(University College London)的發育生物學家Claudio Stern認為,這項研究是一個「技術進步」,將類似組織者的細胞在人類胚胎之外培育,能夠幫助研究人員解析這類細胞獨特的訊號能力。

Bar Harbor Jackson實驗室(JAX)的幹細胞研究員Martin Pera認為,這一技術可以帶來更多的探索,例如更好地理解人類胚胎的早期發育,從而找到導致流產的缺陷。

然而,Ali Brivanlou認為,這一替代方法並不能完全取代組織者在人類胚胎中的發育研究。未來,他希望進一步解析人類組織者細胞影響鄰近細胞的細部機制。

文章連結:Hybrid human–chicken embryos illuminate key developmental milestone

參考更多:Elusive master organizer of human embryo growth seen for the first time

Human embryonic stem cells were coaxed into embryo-like structures to study the earliest stages of development. Credit: Prof. Miodrag Stojkovic/SPL

Human embryonic stem cells were coaxed into embryo-like structures to study the earliest stages of development. Credit: Prof. Miodrag Stojkovic/SPL

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