对我们的身体是如何从单个细胞发展而来的独到见解


18-05-2021
人类囊胚孵化_信用K Hardy_CC BY 4.0

Wellcome Sanger研究所、Wellcome- mrc剑桥干细胞研究所和剑桥大学的研究人员对我们的身体是如何由单个细胞形成的产生了新的见解。

这是第一次通过追溯突变是如何以及何时在怀孕期间获得来描述人类胎儿发育的同类研究。研究小组发现,早期细胞分裂的突变率更高,细胞是成为胎儿还是成为像胎盘这样的保护组织的“决定”发生的时间比之前认为的要早得多。

该研究发表于自然,强调了人类生物学和老鼠生物学之间的细微差别,而以前的研究都是以老鼠为模型进行的。它为研究人员寻求了解儿童癌症和罕见发育障碍等疾病的原因提供了正常条件下突变的重要参考,这些疾病往往开始于子宫内。

对发育的研究很大程度上是为了了解我们的身体是如何从一个细胞演化而来的。了解这是如何协调的,以及在正常情况下哪些细胞会产生其他细胞,可以帮助我们确定发育有时会出错的原因和方式。

可以通过谱系追踪来跟踪发展,这涉及到“标记”细胞,并将其传递给细胞的后代。这允许你绘制细胞之间的关系,并创建一个“家谱”。然而,这项技术需要对发育中的胚胎进行操作,因此在人类身上既不符合伦理也不可行。因此,对人类发育的研究主要局限于仔细的显微镜观察,而我们对发育的许多知识是基于诸如斑马鱼和老鼠等模式生物。

在这项研究中,Wellcome Sanger研究所和Wellcome- mrc剑桥干细胞研究所的研究人员从人类胎儿组织中收集了8周和18周大的造血干细胞和祖细胞(hspc)1将它们培养成511个单细胞衍生菌落。

来自数百个克隆体的DNA进行了全基因组测序,以确定体细胞突变,这些突变可以用来追溯血液细胞的血统,追溯到胚胎的第一次分裂。在其他组织的微小活组织中寻找这些“标记”突变,然后让研究人员看到这些组织何时偏离了血细胞群。

研究小组发现,到发育的第8周,细胞获得了25个突变,到第18周获得了42个突变,这表明细胞早期分裂的突变率更高。他们还计算了在4到16个细胞之间“决定”哪些细胞会成为胎儿,哪些细胞会成为胚胎外组织(包括胎盘和卵黄囊)的时间。

该研究的第一作者安娜·兰佐尼博士来自剑桥大学wellcom - mrc剑桥干细胞研究所和血液系,她说:“这项研究的发现挑战了我们之前对胎儿如何在生命的最初阶段从一个细胞生长的一些理解,比如当胚胎和胚胎外组织发生分化时。如果我们要试图查明疾病的根源,这种解决方案将至关重要。”

也有证据表明,胚胎外中胚层和在妊娠的前三个月向胎儿输送氧气的血细胞来自下胚层,这通常被认为是胚胎外组织——这是人类和老鼠生物学之间的明显区别。

该研究的第一作者、来自韦尔科姆桑格研究所的迈克尔·斯宾塞·查普曼博士说:“老鼠是研究人类发育的一个极好的模型,但一直存在这样一个问题:老鼠的生物学特性是否与人类的生物学特性相同,或者仅仅是相似。”我们发现证据表明,原始人类血细胞来自于下胚层,这与小鼠不同,解决了争论了几十年的问题。”

这些对参与人类发育的精确生物学过程的深入了解,为研究儿童癌症(通常始于子宫内)以及罕见的发育障碍提供了正常情况下发育动力学的基本参考。

安娜Cvejic博士是这项研究的资深作者Wellcome-MRC剑桥大学干细胞研究所和部门的血液学剑桥大学,说:“我们的研究提供了重要的见解的极其复杂的生物过程的最早几周的生活,直到现在已不可能。这一资源对于正常情况下会发生什么将是一个无价的参考,这样我们就可以开始解开当开发出错时会发生什么。”

1研究中使用的人体组织是由人类发育生物学资源根据国家卫生服务研究卫生局的伦理批准。

图像信用: K Hardy_CC BY 4.0

出版:

迈克尔·斯宾塞·查普曼,安娜·玛丽亚·兰佐尼和布琳娜·迈尔斯.(2021)。通过体细胞突变来追踪人类发展的谱系。自然.DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-021-03548-6

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