賴斯大學(xué)生物科學(xué)家Aryeh Warmflash和研究生Sapna Chhabra進(jìn)行的研究表明，人類胚胎干細(xì)胞的同質(zhì)集落利用動態(tài)分子信號波從細(xì)胞傳到細(xì)胞并觸發(fā)它們分化。
一經(jīng)提示，細(xì)胞便開始組織成三個胚層-內(nèi)胚層，中胚層和外胚層-最終成為胚胎。
賴斯的發(fā)現(xiàn)反駁了英國數(shù)學(xué)家艾倫·圖靈(Alan Turing)于1952年進(jìn)行的研究的解釋，后者辯稱，信號梯度可以通過現(xiàn)在稱為圖靈不穩(wěn)定性的機(jī)制自組織。從理論上講，這樣的過程將允許分子的穩(wěn)定梯度將不同強(qiáng)度的信號傳遞到每個細(xì)胞。
Warmflash，Chhabra及其同事表明，這種梯度在干細(xì)胞菌落中不存在，并且該過程比以前所認(rèn)為的更具動態(tài)性。他們觀察到受限的干細(xì)胞集落，并使用數(shù)學(xué)模型確定這種機(jī)制無法解釋他們所看到的觸發(fā)分化為胚層的信號傳導(dǎo)方式和波動。然后這些層變成器官，骨骼，皮膚和血液。
作為長期研究的一部分，他們的工作在PLOS Biology中進(jìn)行了詳細(xì)研究，研究了BMP，Wnt和NODAL信號通路之間的動態(tài)相互作用，以解碼單個受精細(xì)胞成為人類的過程。為此，他們使用特殊的圖案板來迫使干細(xì)胞在微小的圓形菌落中生長。
然后研究人員可以觀察，測量和擾動菌落，因為它們是在最早的階段發(fā)展的，形成分化細(xì)胞的模式，但從未發(fā)展到成為胚胎的程度。
在當(dāng)前的研究中，研究人員將BMP(骨形態(tài)發(fā)生蛋白)應(yīng)用于菌落。通過該途徑傳輸?shù)男盘柺辜?xì)胞開始并維持一波細(xì)胞間Wnt信號波，該信號從周界向菌落中心傳播。
反過來，Wnt引發(fā)了一波NODAL信號，該信號獨立地向中心移動。通過測量級聯(lián)反應(yīng)，研究人員表明BMP信號傳導(dǎo)的持續(xù)時間決定了中胚層的位置-胚胎早期發(fā)育的中間層-而Wnt和NODAL信號上調(diào)了中胚層的分化。
他們報道說，信號通路之間的相互作用決定了中胚層環(huán)在哪里開始和停止。
Warmflash說，信號到達(dá)菌落中心所花費(fèi)的時間也使它們無法像中胚層一樣分化。他說：“信號正在移動，不斷充滿整個殖民地。”“但是取決于到達(dá)特定細(xì)胞的時間，它們是否會響應(yīng)。當(dāng)波到達(dá)它們時，位于中心的細(xì)胞已經(jīng)決定成為外胚層。”
研究人員觀察到，細(xì)胞本身遷移的速度很小，但不及它們傳遞的命運(yùn)改變信號快。
他們還發(fā)現(xiàn)，菌落周邊的細(xì)胞與已知在胚胎中成為胎盤細(xì)胞的細(xì)胞非常匹配，Warmflash說。
他說：“關(guān)于這些細(xì)胞是否代表胎盤樣細(xì)胞，該領(lǐng)域存在很多爭議。”“這是因為要成為胚胎本身的干細(xì)胞或成為胎盤的決定應(yīng)該在我們整個模型開始之前就已經(jīng)做出了。”
Chhabra通過RNA測序檢查了周圍細(xì)胞表達(dá)的基因，并將其與最近發(fā)表的人類早期胚胎胎盤細(xì)胞測序數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。
“這使我們在本文中可以對這兩件事進(jìn)行首次比較，” Warmflash說。“最重要的是，這些細(xì)胞與人類胚胎干細(xì)胞一樣，都是人類胎盤的良好模型。它不是完美的，但它是一個相當(dāng)不錯的模型。”
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