用生物发光直播 - 细胞成像观察人类发育钟

什么是发展时钟?

人体胚胎的发展是一种复杂的过程,涉及仔细协调成千上万的基因。就像管弦乐队中的乐器一样,每个基因都会表现出它的作用 - 有时沉默,有时会激烈,但总是正确的。交响乐的节奏或胚胎发育的速度取决于称为发育时钟的内在生物时钟。发展时钟就像管弦乐队的导体,控制音乐的节奏并确保每个基因在正确的力度在正确的力度下表达。如果只是一个基因太快表达或者持续了一个基因,可能会扰乱整个交响乐的和谐,导致胚胎发达不当。

当发育时钟被打乱时,可能会发生的一个例子是一种叫做脊椎肋肌发育不全(SCDO)的疾病。SCDO是一种遗传性疾病,会导致脊柱和肋骨的异常形成。患者通常颈部和躯干较短,脊柱弯曲异常(脊柱侧凸)。SCDO可以由HES7基因的突变引起。HES7是一种“振荡基因”,这种基因以一种有节奏的方式表达——就像敲鼓一样。在早期胚胎发育过程中,这种节奏对于形成我们的肋骨和脊柱的每一块脊椎骨都是必不可少的。

理解人类的分割时钟

分割过程由特定的发育时钟控制,称为“分割时钟”。我们的脊椎动物柱均匀间隔,因为存在非常具体的时间长度,其中HES7水平在循环中反复振荡,这对应于每对椎骨形成。分割时钟已经在许多不同的物种中进行了研究,并且这个时钟的速度在它们之间不同。在老鼠中,循环每2小时发生一次;在鸡,每1.5小时一次;在斑马鱼中,它每0.5小时。然而,人类中的分割时钟主要是一个谜,因为由于道德和技术问题,难以进入这种早期胚胎。

李芳博士卡尔加里大学的助理教授有兴趣研究发展时钟以及如何受到监管。“发展时钟非常优雅,到这一天我们仍然不知道它是如何发生的。这是一个非常精心的系统,是一个艰巨的任务,“朱博士说,”你不能使用其他模特生物来解释人类的分割方式。我们必须使用人体细胞。如果我们可以在人类细胞中捕获它,它将是一个踏脚石,以进一步了解人类发展时钟是如何控制的。“

李芳议员施工生物发光活细胞成像捕获早期人类发展中振荡基因的第一个图像
李芳博士

生物发光直播 - 细胞成像

2019年,楚博士成功创建了一个在实验室盘中的人胚胎干细胞(ESC)模型复制人分割时钟的遗传谱。使用优化的差分协议,他将人类ESC指向朝向细胞状态,其中发生分割。为了实时观察振荡基因的表达,他使用生物发光活细胞成像 - 一种方法,使他基于光强度来可视化基因表达水平。

首先,他表演了基因编辑标记为HES7Nanoluc®Luciferase.,在生物发光深海虾中发现的荧光素酶的修饰版本。这允许他观察基于发光信号的表达了多少HES7:光线更亮,细胞中的HES7越多。然后,他增加了一个制定Nano-Glo®Vivazine™活细胞基底(将荧光素酶反应需要发生,并且每5分钟连续检测发光32小时。

“我们几乎从第一个实验中检测到基因振荡活动,这是一个巨大的惊喜,”他说。“它们只是塑料盘中的一堆细胞。为什么他们在几小时内展示这种动态?“但他发现,在盘子中发生的基因振荡模式非常精确 - 它们表现得像一个时钟。

使用发光显微镜,他能够看到一致的光闪光,表明HES7表达的升高每5小时。该生物发光活细胞成像实验是首次观察到早期人类发展中振荡基因的精确定时。

生物发光活细胞成像显示HES7表达的振荡。(李芳博士)

楚博士认为,他项目成功的关键是能够以高时分辨率实时收集数据。“在细胞中,事情非常动态;他们每秒都在发生。如果我们没有每5分钟收集数据,我们就会完全错过这个时钟。生物发光直播的成像是让我们发现这种动态的东西,“他说。

未来的临床应用

再现细胞中发育时钟具有许多临床意义。对于一种,它提供了一种细胞模型,用于研究由发育时钟的早期缺陷引起的疾病,例如SCDO。它还可用于生产成熟干细胞以用于临床疗法。干细胞疗法中的巨大障碍是人干细胞需要很长时间才能分化。在大多数情况下,必须在足够成熟以便在临床环境中使用前几个月来分化细胞。如果我们能加快这个过程怎么办?

根据楚博士的说法,可以进行控制的发展时钟,并且钥匙可以与不同哺乳动物种类的人类进行比较。如果他们能够弄清楚导致人类时钟比其他物种慢的东西,他们可以操纵这种机制以在人类细胞中加速困境。这可能会彻底减少生产未来移植的完整器官所需的时间和精力。

当然,前面还有很长的路要走。朱棣文谨慎地指出,尽管他们已经成功地模仿了人类ESCs的发育时钟,但它们仍“只是一堆细胞”,远未形成任何相关组织或器官。尽管如此,这是重要的第一步,可以为理解我们在生命的最初阶段是如何发展的提供一个窗口。


参考:Chu,L.F.。(2019)衍生自胚胎干细胞的体外人分割时钟模型细胞代表。28日(9):2247 - 55

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Johanna是Promega的科学作家。她在贝勒医学院获得生物医学博士学位。在加入Promega之前,她是一名自由撰稿人和全职妈妈,工作了五年。约翰娜来自台湾,她相信台湾菜是世界上最好的。她喜欢做瑜伽,旅行和花时间陪她的两个孩子。

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