胚胎图案系统揭示细胞协调以创建令人惊讶的精确模式

当胚胎从一小部分原始细胞发育而来时，它将自身形成精确的空间组织区域和组织。这要求个体细胞通过释放和检测特异性信号分子而在长距离上彼此协调。如何以这种间接方式进行通信的细胞如何创造出如此精确的模式呢?

加州理工学院的研究人员已经开发出一种在培养皿中重建细胞间通讯过程的方法，这种过程是胚胎组织模式的基础。通过这样做，他们建立了一种更简单，更易于访问的方式来观察和操纵这一基本过程。研究人员利用这种方法，专注于一种称为Hedgehog信号通路的通信系统，该系统在不同组织和器官中建立了空间组织结构。他们发现该途径拥有复杂的分子电路结构，有助于确保精确的图案化。

这项工作是在生物学和生物工程学教授Michael Elowitz，Howard Hughes医学研究所研究员和生物工程执行官的实验室完成的。这项研究在5月4日出版的“科学”杂志上发表。

Hedgehog通路对于中枢神经系统，四肢和许多其他器官和组织的正常发育至关重要。Hedgehog相关基因的缺陷导致发育疾病。了解Hedgehog通路如何精确地组织太空中的细胞将使研究人员能够预测该途径的行为，从而预测其对药物的反应。此外，在实验室中设计自我模式细胞的新技术可以帮助开辟新的方法来设计用于再生医学的空间复杂组织。

在胚胎中，某些细胞(“发送者”)通过释放称为形态发生素的分子来广播信息，这些分子通过细胞间环境扩散并到达周围细胞(“接收者”)。接近发送者的接收者比远处的细胞接收更多的形态发生素。细胞利用这些定量差异来确定它们的位置以及它们应该成为何种细胞类型。这种看似不稳定的机制如何一次又一次地产生完美图案的胚胎一直是一个长期存在的难题。

研究人员在培养皿中创造了一个类似组织的细胞层，而不是处理复杂的胚胎 - 其中许多过程同时发生并且难以观察和扰乱特定基因。他们从小鼠成纤维细胞开始;成纤维细胞负责形成动物组织结构的框架。这些细胞是“空白板岩”，因为它们不会自己形成组织图案。然后，研究小组对这些成纤维细胞进行了合成工程，以生成和响应形态发生的Sonic Hedgehog，这些细胞用来估计它们在发育中的组织中的位置。

在感知Sonic Hedgehog时，每个细胞启动一组信号继电器，修改其自身的基因表达。当发送Sonic Hedgehog信号时，团队已经对细胞进行了基因改造，使其发出蓝光，或者在接收到信号时发出黄光。通过这种方式，他们可以观察消息从一个小区到另一个小区的实时流动。

重要的是，这个新系统允许研究人员有效地重新布线，使用其架构来帮助他们了解哪些特征使系统能够生成高度精确的空间模式。通过遗传修饰途径，然后使用显微镜电影观察细胞的表现，研究人员发现Hedgehog途径具有不同寻常的分子结构，可确保细胞间通讯的准确性。

该研究的第一作者，博士后学者Pulin Li说：“在生物学方面，我们在分离系统方面要比将它们组合在一起要好得多。”“因此，重建胚胎外的多细胞图案系统可以揭示出以传统方式难以发现的原则。”

“在这里，我们了解到Hedgehog系统的某些特征 - 曾经被认为是不可思议甚至违反直觉的 - 实际上以一种美妙的方式协同工作以确保精确的图案化，”Elowitz说。“这真的只是一个开始。有了这个系统，我们现在可以想象编程细胞产生更复杂的图案化行为，以实现组织的设计，这是合成生物学的一个主要目标。”

该论文的标题是“Morphogen梯度重建揭示了Hedgehog通路设计原理”。

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