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使用iPS电池破译生命初期的时机

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京都大学(Kyoto University)领导的研究人员使用诱导多能干细胞(iPSC)重构了人类分割时钟,这是胚胎发育研究的重点。

从受精卵的第一个部分开始,复杂的蛋白质和基因网络相互推拉,以构建形成器官的细胞模式。就像时钟上的钟摆一样,每个摆动和脉冲都需要仔细对齐以维持形成生命的节奏。

但是,我们对人类早期发展的许多理解都极为有限,一个关键原因是缺乏能够复制这些复杂生物过程的实验模型。

京都大学研究小组负责人Cantas Alev解释说:“例如,在人类受精后约20天,即发生了所谓的'发生体发生'的过程。这是胚胎发育出称为'somites'的明显节段并确定身体的基本分段模式的时候。” ASHBi人类生物学高级研究所。“ Somites最终有助于椎骨和肋骨的形成。”

节段的出现是由节律时钟决定的,节律时钟是控制和指导其出现的遗传振荡器。尽管已经在小鼠,雏鸡和斑马鱼中研究了分段时钟基因及其在发育中的作用,但在人类中几乎没有关于它们的任何知识。

解决此问题的一种方法是使用干细胞重建时钟。在ASHBi,京都大学iPS细胞与研究应用中心和RIKEN的成员组成的小组在《自然》杂志上发表的论文中,他们着重于利用人类iPS细胞形成早熟的中胚层,即体节的前体细胞。

“我们从模仿早期发育过程中活跃的信号通路开始。运用我们在胚胎学中的知识,我们成功地产生了前声中胚层或PSM及其后代的培养物,” Alev继续说道。“研究以有节奏的模式表达的基因不仅表明它们在五个小时内振荡,而且还揭示了我们寻找的分段时钟的新遗传成分。”

除了简单的基因振荡外,研究小组还复制了分段时钟的第二个标志,即表达波。然后,他们使用基因编辑技术评估了与脊柱变形有关的关键基因的功能。

不出所料,这些基因的突变极大地改变了分割时钟的各个方面,包括同步和振荡。然后,他们进一步从患有上述遗传缺陷的患者体内产生了iPS细胞,确定了所涉及的突变并进行了纠正。

这项研究表明,iPS 细胞如何优雅地用于概括人类胚胎发育和其他复杂生物过程的各个方面。

“像许多发育生物学家一样,我着迷于胚胎和胚胎发育。如何从非常简单的初始结构形成复杂器官和组织的优雅和美丽是惊人的。我希望重建和分析胚胎发育的许多其他方面,并扩大我们对人类和非人类发展的了解仍然有限。”

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