用生物发光活细胞成像观察人类发育钟

什么是发育钟?

人类胚胎的发育是一个复杂的过程,涉及数千种基因的精心协调。就像管弦乐队里的乐器一样,每个基因都发挥着自己的作用——有时沉默,有时激烈——但总是恰到好处。交响乐的节奏,或者说胚胎发育的速度,取决于一个被称为发育钟的内在生物钟。发育的时钟就像管弦乐队的指挥,控制着音乐的节奏,确保每个基因在正确的时间以正确的强度表达。如果只有一个基因过早地表达,或太快地跳动一个节拍,就可能破坏整个交响乐的和谐,导致胚胎发育不正常。

当发育时钟被破坏时可能发生的一个例子是一种称为脊椎癌脱蛋白(SCDO)的疾病。SCDO是一种遗传障碍,导致脊柱和肋骨的异常形成。患者通常具有短的颈部和躯干,脊柱(脊柱侧凸)的异常曲率。SCDO可以由HES7基因的突变引起。Hes7是一种“振荡基因”,一种以滚筒的节奏图案表示的基因。这种节奏对于形成我们的脊柱和我们的脊柱的每个椎骨是必不可少的,该过程称为“分段”的过程 - 修复早期胚胎发育。

了解人类分割时钟

分段过程是由一个特定的发育时钟控制的,称为“分段时钟”。我们的脊椎柱是均匀间隔的,因为HES7水平在一个周期中反复上下振荡的时间是非常特定的,这与每一对椎骨的形成相对应。分段时钟已经在许多不同的物种中进行了研究,并且这种时钟的节奏在它们之间是不同的。在小鼠中,这个周期每2小时发生一次;在鸡中,是每1.5小时;在斑马鱼中,是每0。5小时。然而,由于伦理和技术问题,获取这种早期胚胎是很困难的,所以人类的分段时钟在很大程度上是一个谜。

李方朱棣文博士卡尔加里大学(University of Calgary)助理教授,对研究发育时钟及其调控机制很感兴趣。“发育的时钟非常优雅,直到今天我们仍然不知道它是如何发生的。这是一个非常复杂的系统,理解它是一项艰巨的任务,”朱博士说,“你不能用其他模型生物来解释人类的分割是如何工作的。我们必须使用人类细胞。如果我们能在人类细胞中捕获它,这将是进一步了解人类发育时钟是如何控制的踏脚石。”

Chu Li-Fang博士应用生物荧光活细胞成像技术捕获了人类早期发育中的第一批振荡基因图像
李方朱棣文博士

生物荧光Live-Cell成像

2019年,朱博士成功地创造了一个人类胚胎干细胞(ESC)模型在实验室培养皿复制人类分段时钟的基因谱。利用一种优化的分化方案,他将人类ESCs引导到一种发生分段的细胞状态。为了实时观察振荡基因的表达,他使用了生物发光活细胞成像——一种基于光强的基因表达水平可视化的方法。

首先,他对HES7进行了基因编辑NanoLuc®荧光素酶这是在生物发光的深海虾中发现的荧光素酶的改良版本。这让他能够根据发光信号观察到HES7的表达量:光线越亮,细胞中的HES7越多。然后,他又加了一个公式Nano-Glo®Vivazine™活细胞底物,这是荧光素酶反应发生所必需的,并连续检测发光每5分钟32小时。

“我们几乎从第一个实验就发现了基因振荡活动,这是一个巨大的惊喜,”他说。“它们只是塑料盘子里的一堆细胞。为什么他们会在几小时内表现出这种动态?”但是他发现在培养皿中发生的基因振荡模式非常精确——它们的行为就像一个时钟。

利用发光显微镜,他能够看到持续的闪光,表明HES7的表达每5小时就会上升一次。这一生物荧光活细胞成像实验是首次观察到人类早期发育中振荡基因的准确时间。

生物荧光活细胞成像显示HES7表达的振荡。(李方朱棣文博士)

朱棣文认为,他的项目成功的关键在于能够以高时间分辨率实时收集数据。“在细胞中,事物是动态的;它们每时每刻都在发生。如果我们没有能够每5分钟收集一次数据,我们就会完全错过这个时钟。生物荧光活细胞成像技术使我们能够发现这种动态。”

未来的临床应用

在细胞中复制发育钟有许多临床意义。首先,它提供了一个细胞模型来研究由发育时钟的早期缺陷引起的疾病,比如SCDO。它也可能用于生产用于临床治疗的成熟干细胞。干细胞治疗的一个巨大障碍是人类干细胞需要很长时间才能分化。在大多数情况下,细胞必须经过数月的分化才能成熟用于临床。如果我们能加快这个过程呢?

据朱博士说,控制发育时钟是可能的,而关键可能是将人类的时钟与不同哺乳动物的时钟进行比较。如果他们能弄清楚是什么原因导致人类的生物钟比其他物种慢,他们就可以操纵这种机制来加快人类细胞的运转速度。这将大大减少将来生产用于移植的完整器官所需的时间和精力。

当然,这是很长的领导。楚博士谨慎注意,虽然它们成功地模仿人体ESC的发展时钟,但它们仍然是“只是一堆细胞”并且远远没有形成任何相关的组织或器官。尽管如此,这是一个重要的第一步,可以为理解我们在我们生命中最早的阶段开发的窗口。


参考:楚,L.F.。(2019)来自胚胎干细胞的体外人分段时钟模型细胞代表。28日(9):2247 - 55

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Johanna是Promega的一位科学作家。她在贝勒医学院赢得了她的生物医学科学博士学位。在加入Promega之前,她是一名自由作家和全职妈妈五年。Johanna是来自台湾,她认为台湾食品是世界上最好的。她喜欢和她的两个孩子一起做瑜伽,旅行和花时间。

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