生命的速度研究发育时间的细胞动物园

在人类中，怀孕持续大约九个月。在小鼠中，只有 20 天，而在犀牛中，长达 17 个月。尽管许多哺乳动物物种在胚胎发育过程中经历了相同的阶段，但动物之间的发育速度却大不相同。另一个在时间上因物种而异的事件的例子是脊椎动物体轴的形成，即脊柱。将产生椎骨和肋骨的身体节段的形成称为体节，由称为节段时钟的机制控制。分割时钟是一组振荡的基因。每个振荡控制一对体节的形成。振荡的频率因物种而异，与小鼠相比，人类的振荡频率要长两到三倍。

分段时钟是研究物种差异的便捷系统，Ebisuya 小组对此研究了很长时间，最近揭示了生化反应速度的差异是导致小鼠和人类时钟差异的原因。然而，为了确定这是否是一般的发展原则，研究人员需要扩大研究的物种，到目前为止，这些物种相对局限于人类和小鼠。

现在，Ebisuya Group 的研究人员在实验室中重现了除小鼠和人类之外的四种新型哺乳动物的分割时钟：狨猴、兔子、牛和犀牛。这项工作是与欧洲、日本和的研究小组合作完成的。

什么是干细胞动物园?

干细胞动物园就像来自多个物种的干细胞库，用于研究和比较不同的发育事件。合作小组从狨猴、兔、牛和犀牛身上收集了胚胎干细胞和诱导多能干细胞，将其添加到现有的人类和小鼠细胞库中。这种多样化的物种抽样对于发育研究来说是前所未有的，旨在构建一个比较发育过程的平台。

“我们想创建一个来自几种哺乳动物物种的细胞平台，以研究它们的发育时间为何不同。我们希望范围尽可能广，因此我们选择了体重从 50 克到 2 吨不等、妊娠期从 20 天到 17 个月不等、具有三种不同进化史或系统发育史的物种：灵长类动物(人类和狨猴)、 Glires(老鼠和兔子)和有蹄类动物(牛和犀牛)。” Ebisuya Group 的博士前学生、该论文的第一作者 Jorge Lázaro 说。

该小组重点研究了四个新物种的分割时钟的差异。他们应用实验方案将胚胎和诱导多能干细胞分化为体前中胚层样细胞，这些细胞将产生脊柱、肋骨和骨骼肌。

“我们的干细胞动物园是一个理想的平台，可以研究节段时钟周期中种间差异的原因，以及确定节段速度与生物体特征之间是否存在任何一般关系。” EMBL Barcelona 和 TU Dresden 卓越生命物理学​​集群的组长 Miki Ebisuya 说。

关联分段时钟

众所周知，妊娠期长度以及许多其他身体参数与动物体重成比例。较大的物种往往有较长的妊娠期。因此，该小组假设分割时钟的差异可能与体重有关。然而，令人惊讶的是，他们发现每个物种的平均体重与其分段时钟周期之间没有相关性。同样，妊娠长度与分段时钟周期无关。

相反，该小组发现分割时钟周期与胚胎发生的持续时间高度相关。胚胎发生是受精到器官发生结束之间的时间，此时所有器官都在胚胎中形成。这可能意味着分割时钟可以作为一个很好的系统来理解跨物种的一般胚胎发育时间是如何建立的。

此外，该小组发现三种不同的进化历史——灵长类动物、Glires 和有蹄类动物——分别对应于慢速、快速和中间分段时钟周期，表明发育节奏与进化群体之间存在关系。

在之前的研究中，Ebisuya 小组已经发现生化反应速度与分段时钟周期成比例。然而，这些研究集中在小鼠和人类身上。该小组现已扩展了正在研究的物种，并确认这四种新哺乳动物在生化反应速度上也表现出差异，与分段时钟周期相关性非常好。这表明生化速率的变化可能是控制发育节奏的一般机制。

此外，他们发现与生化过程相关的基因表现出与分割时钟周期相关的表达模式，为不同物种发育速度差异背后的潜在分子机制提供了具体线索。

“我们的目标是在我们的干细胞动物园中不断增加物种，”Ebisuya 说。“如果我们想确认我们的研究结果是否可以构成哺乳动物发育的普遍原则，我们需要扩大动物园并包括更广泛的物种和系统发育。”

在目前发表在 Cell Stem Cell 上的研究中，该小组专注于分割时钟，但干细胞动物园方法开启了研究其他生物时间(例如心率或寿命)的可能性。研究人员对生物时间的运作方式了解得越多，他们就越有可能控制它。例如，在类器官领域，如果能够加快类器官的开发时间，就可以加速再生医学研究。

“我真正喜欢干细胞动物园的另一个方面是可以向人类和老鼠以外的不同物种学习，”Lázaro 说。“许多动物具有使研究变得有趣的特殊特征，但由于实际或道德原因，我们无法在实验室中接触到它们。特征例如犀牛的大小或长颈鹿的长脖子。谁知道呢，也许在我们的下一个项目中，我们可以使用干细胞来尝试了解长颈鹿如何发展出长长的脖子和更长的体节!”

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