动态分子信号波可以控制胚胎命运

赖斯大学生物科学家Aryeh Warmflash和研究生Sapna Chhabra进行的研究表明，人类胚胎干细胞的同质集落利用动态分子信号波从细胞传到细胞并触发它们分化。

一经提示，细胞便开始组织成三个胚层-内胚层，中胚层和外胚层-最终成为胚胎。

赖斯的发现反驳了英国数学家艾伦·图灵(Alan Turing)于1952年进行的研究的解释，后者辩称，信号梯度可以通过现在称为图灵不稳定性的机制自组织。从理论上讲，这样的过程将允许分子的稳定梯度将不同强度的信号传递到每个细胞。

Warmflash，Chhabra及其同事表明，这种梯度在干细胞菌落中不存在，并且该过程比以前所认为的更具动态性。他们观察到受限的干细胞集落，并使用数学模型确定这种机制无法解释他们所看到的触发分化为胚层的信号传导方式和波动。然后这些层变成器官，骨骼，皮肤和血液。

作为长期研究的一部分，他们的工作在PLOS Biology中进行了详细研究，研究了BMP，Wnt和NODAL信号通路之间的动态相互作用，以解码单个受精细胞成为人类的过程。为此，他们使用特殊的图案板来迫使干细胞在微小的圆形菌落中生长。

然后研究人员可以观察，测量和扰动菌落，因为它们是在最早的阶段发展的，形成分化细胞的模式，但从未发展到成为胚胎的程度。

在当前的研究中，研究人员将BMP(骨形态发生蛋白)应用于菌落。通过该途径传输的信号使细胞开始并维持一波细胞间Wnt信号波，该信号从周界向菌落中心传播。

反过来，Wnt引发了一波NODAL信号，该信号独立地向中心移动。通过测量级联反应，研究人员表明BMP信号传导的持续时间决定了中胚层的位置-胚胎早期发育的中间层-而Wnt和NODAL信号上调了中胚层的分化。

他们报道说，信号通路之间的相互作用决定了中胚层环在哪里开始和停止。

Warmflash说，信号到达菌落中心所花费的时间也使它们无法像中胚层一样分化。他说：“信号正在移动，不断充满整个殖民地。”“但是取决于到达特定细胞的时间，它们是否会响应。当波到达它们时，位于中心的细胞已经决定成为外胚层。”

研究人员观察到，细胞本身迁移的速度很小，但不及它们传递的命运改变信号快。

他们还发现，菌落周边的细胞与已知在胚胎中成为胎盘细胞的细胞非常匹配，Warmflash说。

他说：“关于这些细胞是否代表胎盘样细胞，该领域存在很多争议。”“这是因为要成为胚胎本身的干细胞或成为胎盘的决定应该在我们整个模型开始之前就已经做出了。”

Chhabra通过RNA测序检查了周围细胞表达的基因，并将其与最近发表的人类早期胚胎胎盘细胞测序数据进行了比较。

“这使我们在本文中可以对这两件事进行首次比较，” Warmflash说。“最重要的是，这些细胞与人类胚胎干细胞一样，都是人类胎盘的良好模型。它不是完美的，但它是一个相当不错的模型。”

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