在一項新的研究中，來自日本京都大學和日本理化研究所的研究人員在小鼠細胞中利用一種新的活體成像(live-imaging)技術發現一個特定的時鍾基因，即Hes7，會在一定的時間延遲內振蕩，從而產生脊椎動物中的脊椎骨(vertebrae)、脊柱和枕骨。這一發現揭示了細胞內的通訊在正常發育中如何受到控製和定時，以及涉及哪些化合物。相關研究結果於2020年1月8日在線發表在Nature期刊上，論文標題為“Coupling delay controls synchronized oscillation in the segmentation clock”。

在胚胎發育過程中，將形成神經組織和結締組織的細胞排列在一起並開始表達相關基因。這個過程有規律地發生，發育生物學家稱之為分節時鍾(segmentation clock)。由此形成的重複結構沿著身體軸線分布，並產生脊椎骨和肋骨。

論文通訊作者、京都大學綜合細胞材料科學研究所發育生物學家Ryoichiro Kageyama及其同事們想要了解細胞內的協調動力學。在此之前，人們僅在快照中研究了這一過程，但未使用活體成像。

Kageyama團隊建立了一種係統來逐個細胞地觀察時鍾基因的動態變化。他們將一種新型的熒光蛋白融合到Hes7上，觀察到它在組織的每個細胞內的振蕩方式，並注意到了這種振蕩存在時間延遲。通過使用正常發育的小鼠和其他的缺乏關鍵調控因子Lfng的小鼠，他們揭示出控製正常發育的信號轉導過程存在時間延遲。在發送信號的細胞缺少Lfng的情況下，每個細胞中的動態變化並不同步，而在接收信號的細胞缺乏Lfng的情況下，每個細胞中的振蕩幅度較小。在這兩種情況下，發育都會受到影響。在先天性脊柱側凸中，人Lfng基因發生突變。

Kageyama說，“我對在細胞間通訊中存在適當時間延遲的重要性感興趣---不能太快，也不能太慢。這是違反直覺的，這是因為我簡單地認為快速通訊總是最好的。但我們捕捉到的活體圖像顯示了振蕩網絡的時間延遲控製機製，這些振蕩網絡參與了沿著胚體產生分節的過程。這表明存在正確時間延遲的細胞間通訊對正常發育至關重要。”

這項新的研究揭示了細胞內的通訊如何受到控製和定時，並可提高利用校正這種時間延遲控製機製的小分子化合物治療某些先天性疾病的可能性。更廣泛地講，這種關於時間延遲控製同步的觀點可能能夠適用於在自然界的多種其他情況下觀察到的其他節律現象，比如電振蕩和化學振蕩。