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        胚胎圖案系統(tǒng)揭示細胞協(xié)調以創(chuàng)建令人驚訝的精確模式
        
			
        
				2019-04-19 10:47:27
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        當胚胎從一小部分原始細胞發(fā)育而來時，它將自身形成精確的空間組織區(qū)域和組織。這要求個體細胞通過釋放和檢測特異性信號分子而在長距離上彼此協(xié)調。如何以這種間接方式進行通信的細胞如何創(chuàng)造出如此精確的模式呢?
        

        胚胎圖案系統(tǒng)揭示細胞協(xié)調以創(chuàng)建令人驚訝的精確模式
        

        加州理工學院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種在培養(yǎng)皿中重建細胞間通訊過程的方法，這種過程是胚胎組織模式的基礎。通過這樣做，他們建立了一種更簡單，更易于訪問的方式來觀察和操縱這一基本過程。研究人員利用這種方法，專注于一種稱為Hedgehog信號通路的通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在不同組織和器官中建立了空間組織結構。他們發(fā)現(xiàn)該途徑擁有復雜的分子電路結構，有助于確保精確的圖案化。
        

        這項工作是在生物學和生物工程學教授Michael Elowitz，Howard Hughes醫(yī)學研究所研究員和生物工程執(zhí)行官的實驗室完成的。這項研究在5月4日出版的“科學”雜志上發(fā)表。
        

        Hedgehog通路對于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，四肢和許多其他器官和組織的正常發(fā)育至關重要。Hedgehog相關基因的缺陷導致發(fā)育疾病。了解Hedgehog通路如何精確地組織太空中的細胞將使研究人員能夠預測該途徑的行為，從而預測其對藥物的反應。此外，在實驗室中設計自我模式細胞的新技術可以幫助開辟新的方法來設計用于再生醫(yī)學的空間復雜組織。
        

        在胚胎中，某些細胞(“發(fā)送者”)通過釋放稱為形態(tài)發(fā)生素的分子來廣播信息，這些分子通過細胞間環(huán)境擴散并到達周圍細胞(“接收者”)。接近發(fā)送者的接收者比遠處的細胞接收更多的形態(tài)發(fā)生素。細胞利用這些定量差異來確定它們的位置以及它們應該成為何種細胞類型。這種看似不穩(wěn)定的機制如何一次又一次地產(chǎn)生完美圖案的胚胎一直是一個長期存在的難題。
        

        研究人員在培養(yǎng)皿中創(chuàng)造了一個類似組織的細胞層，而不是處理復雜的胚胎 - 其中許多過程同時發(fā)生并且難以觀察和擾亂特定基因。他們從小鼠成纖維細胞開始;成纖維細胞負責形成動物組織結構的框架。這些細胞是“空白板巖”，因為它們不會自己形成組織圖案。然后，研究小組對這些成纖維細胞進行了合成工程，以生成和響應形態(tài)發(fā)生的Sonic Hedgehog，這些細胞用來估計它們在發(fā)育中的組織中的位置。
        

        在感知Sonic Hedgehog時，每個細胞啟動一組信號繼電器，修改其自身的基因表達。當發(fā)送Sonic Hedgehog信號時，團隊已經(jīng)對細胞進行了基因改造，使其發(fā)出藍光，或者在接收到信號時發(fā)出黃光。通過這種方式，他們可以觀察消息從一個小區(qū)到另一個小區(qū)的實時流動。
        

        重要的是，這個新系統(tǒng)允許研究人員有效地重新布線，使用其架構來幫助他們了解哪些特征使系統(tǒng)能夠生成高度精確的空間模式。通過遺傳修飾途徑，然后使用顯微鏡電影觀察細胞的表現(xiàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)Hedgehog途徑具有不同尋常的分子結構，可確保細胞間通訊的準確性。
        

        該研究的第一作者，博士后學者Pulin Li說：“在生物學方面，我們在分離系統(tǒng)方面要比將它們組合在一起要好得多。”“因此，重建胚胎外的多細胞圖案系統(tǒng)可以揭示出以傳統(tǒng)方式難以發(fā)現(xiàn)的原則。”
        

        “在這里，我們了解到Hedgehog系統(tǒng)的某些特征 - 曾經(jīng)被認為是不可思議甚至違反直覺的 - 實際上以一種美妙的方式協(xié)同工作以確保精確的圖案化，”Elowitz說。“這真的只是一個開始。有了這個系統(tǒng)，我們現(xiàn)在可以想象編程細胞產(chǎn)生更復雜的圖案化行為，以實現(xiàn)組織的設計，這是合成生物學的一個主要目標。”
        

        該論文的標題是“Morphogen梯度重建揭示了Hedgehog通路設計原理”。
        
			

			
          
        
			
        
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