在“半人半鸡”胚胎中，人类发育“组织者”首次被发现

为研究人类胚胎干细胞早期的发展，人类胚胎干细胞被诱导成类胚胎结构。图片来源：Miodrag Stojkovic

撰文  向菲菲

在生物胚胎发育的早期，胚胎内有一团具有神奇力量的细胞，可以引导胚胎发育出上下，前后，头尾等。这团细胞被称为“组织者”。然而由于道德，伦理，技术等限制，人类胚胎内的“组织者”细胞一直未被发现。今年 5 月 23 日，来自美国的一个研究小组，通过一种新的技术手段，成功的绕过这些限制，揭开了人类胚胎组织者细胞的神秘面纱。

“组织者”细胞的发现

20 世纪 20 年代，德国实验胚胎学家 Hans Spemann 和他的学生 Hilde Mangold 发现，如果将位于两栖动物早期胚胎背部区域的一小团细胞群移植到同一物种的另一个胚胎中，该团细胞仍具有能够诱导并组织宿主胚胎细胞产生特定组织结构分化的能力。这一结果说明，宿主胚胎在这群细胞的诱导下形成了新的中枢神经系统。这种具有引导和决定胚胎发育方向的细胞群被称为“组织者”（organizer），有时也称为 Spemann organizer。随着时间的推移和新技术的发展，具有“组织者”类似功能的胚胎组织结构相继在鱼类、鸟类、啮齿类动物中被发现，预示着这种早期胚胎活动在物种进化过程中被保留了下来。在已发现的物种中，“组织者”细胞都有着相类似的诱导功能，可以自发的诱导头部和脊索区域的形成，并能非自发的参与决定宿主胚胎的神经命运（neural fate）。然而迄今为止，“组织者”这一神奇的细胞群还没有在灵长类动物，包括人类中被发现。

寻找“组织者”

对于人类胚胎的研究一直是一个广受争议的领域，尽管这是严肃的科学问题，但是由于涉及到伦理道德等问题，很多国家和地区都出台相关法律条文来限制和规范此类研究。其中有一条著名的“14天”规定：即用于科学实验研究的人类胚胎的存活期不能超过 14 天。然而“组织者”细胞出现的时间恰恰是在胚胎发育到第 14 天左右，这项规定为寻找人类“组织者”细胞带来了巨大的困难。

hESC聚落诱导鸡宿主胚胎形成第二级结构（图片来源：I. Martyn et al., Nature 10.1038/S41586-018-0150-Y (2018)）

但是来自美国的 A．H．Brivanlou 教授和他的团队并没有被这样的困难吓退。在他们最近发表在《Nature》上的论文中，选择利用人类的胚胎干细胞（hESCs）培养“组织者”细胞。

首先他们根据以往小鼠及其他脊椎动物的实验中得到的经验来确定“组织者”细胞的生成信号。在经过一系列测试后，他们发现有两种蛋白质分子在对人类胚胎发育早期分化所需关键的信号分子的基因转录和传递上起着重要的作用。其中一个蛋白质分子还可以单独诱导某些重要胚胎组织的产生。此后，他们试图将被前述两种蛋白质分子作用过的 hESCs 嫁接到发育 12 小时的鸡胚胎（相当于发育 14 天的人类胚胎）中，令人欣喜的是杂化后的胚胎成功成活，并且经过这两种蛋白质分子激发的人类胚胎干细胞可以成功的诱导鸡胚胎形成一条细长的神经组织。

这一发现成功的绕过“14天”的限制，证实了人类胚胎内也存在“组织者”细胞。这为进一步研究和解密该种特殊细胞的更多功能做出铺垫，帮助人们更好的了解和研究流产成因。Brivanlou 同时也表示，鸡作为一种与恐龙亲缘更近的动物，人鸡杂化早期胚胎的成活并能建立新的结构意味着动物细胞选择特定命运的能力可能已经存在了数亿年，而人类的基因中也保留了在物种进化过程中留下来的一些特殊性质，这对未来研究和探索早期人类进化也提供了更多的线索。

论文信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0150-y

参考资料：

https://www.nature.com/articles/d41586-018-05202-0#ref-CR1

https://embryo.asu.edu/pages/spemann-mangold-organizer

https://en.wikipedia.org/wiki/Bone_morphogenetic_protein_4

https://en.wikipedia.org/wiki/NODAL

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