為什麼人類胚胎中的一個幹細胞變成神經元而不是變成肌肉細胞?為什麼另一個幹細胞決定產生軟骨而不是心髒組織?
在一項新的研究中，美國洛克菲勒大學的Ali H. Brivanlou和他的團隊揭示了決定細胞命運的分子通路。這一發現為研究人類發育最早階段和可能為各種疾病開發出新的治療方法提供一種新的平台。相關研究結果於2018年5月23日在線發表在Nature期刊上，論文標題為“Self-organization of a human organizer by combined Wnt and Nodal signalling”。
組織天才
科學家們已知道胚胎幹細胞能夠分化成體內的任何一種類型的特化細胞，如骨細胞、腦細胞、肺細胞和肝細胞。他們也已知道在兩棲動物和魚類胚胎中發現的特定細胞群體在塑造早期發育結構中起著組織作用。這些被稱為“組織者(organizer)”的細胞群體發出分子信號，引導其他細胞以特定的方式生長和發育。當將組織者細胞從一個胚胎移植到另一個胚胎時，它會刺激它的新宿主產生次級脊柱和中樞神經係統(包括脊髓和大腦)。
然而，由於倫理準則限製了對人類胚胎開展實驗，科學家們並不知道類似的組織者細胞是否也存在於人類中。
為了研究它是否如此，Brivanlou團隊開展了一係列涉及人造人類胚胎的實驗：利用人胚胎幹細胞在實驗室中生長出直徑大約一毫米的微小細胞簇。盡管與自然界中的對應物相差甚遠，但是這些人造胚胎含有在真正的人類胚胎中存在的很多細胞和組織，而且能夠作為真正的人類胚胎的模擬物發揮作用。
之前的研究也揭示出三種不同的信號轉導通路促進小鼠和青蛙等動物的早期胚胎發育。通過激活放置在培養皿中的人造人類胚胎內的這些通路，Brivanlou和他的同事們證實這些相同的分子信號也能夠促進人類細胞的發育。當以正確的順序給予這些信號時，這些人造胚胎甚至產生了他們自己的組織者細胞。
為了驗證他們最初的發現，這些研究人員將人造人類胚胎移植到真正的雞胚上，並且對這些人細胞進行熒光標記，這樣就能夠在顯微鏡下精確地追蹤這些細胞。接下來發生的事情讓他們感到吃驚。
分工
將細胞從一個物種移植到另一個物種不一定很容易：Brivanlou團隊之前試圖將人造人類胚胎與真正的小鼠胚胎結合在一起，結果證實做到這一點是非常困難的，而且迄今為止，沒有人成功將人胚胎細胞移植到早期的鳥類胚胎上。
然而，一旦將這些人細胞移植到它們的鳥類寄主中，這些細胞就為次級脊柱和神經係統形成奠定基礎---這一行為清楚地表明真正的人類組織者細胞是存在的。
Brivanlou說，“令我吃驚的是，這種細胞移植物不僅存活下來，而且實際上產生了這些美麗的組織結構。”
這些結構的起源更讓他感到吃驚。這是因為盡管產生最終構成次級脊柱的軟骨和骨組織的祖細胞完全由人細胞組成，但是最終形成與這種次級脊柱伴隨的脊髓和大腦的神經組織起點僅由雞細胞組成。
根據Brivanlou的說法，人類細胞能夠在鳥類---相比於人類，鳥類與恐龍存在更加密切的親緣關係---胚胎中建立新結構，這一事實表明在數億年的進化過程中，動物細胞選擇特定命運的能力是保守的。
但是，這些相同的人類細胞能夠指導雞細胞變成神經組織的事實也表明參與細胞通信的分子 ---細胞彼此之間發送的影響它們的命運的實際信號---也在過去很長時間裏是保守的。
Brivanlou說，“一旦將這種人類組織者細胞移植到雞胚胎中，它用來指導這些鳥類細胞建立大腦和神經係統的語言與兩棲動物和魚類所使用的語言完全相同。”
回顧過去，展望未來
理解未分化幹細胞如何產生特定類型的組織對再生醫學是至關重要的。在再生醫學中，科學家們依賴於基於幹細胞的技術來治愈和複原存在缺陷的組織，甚至利用新長出的組織替代它們。
此外，Brivanlou團隊發明的這種基於小雞的移植方法代表了一種強大的研究人類早期發育階段的新工具---這是一種他們在其他研究中已經使用的工具。通過為正常的細胞分化和組織形成提供一種窗口，他們的方法應當有助科學家們理解在生命的最初階段差錯何時和如何發生。這接著可能會導致人們開發出阻止流產和出生缺陷的新方法，以及開發出治療癌症和糖尿病等疾病的新療法。(生物穀 Bioon.com)
參考資料：
I. Martyn, T. Y. Kanno, A. Ruzo et al. Self-organization of a human organizer by combined Wnt and Nodal signalling. Nature, Published online: 23 May 2018, doi:10.1038/s41586-018-0150-y
