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萊斯大學（Rice University）生物科學家Aryeh Warmflash和研究生Sapna Chhabra進行的研究表明，人類胚胎干細胞是利用從細胞傳到細胞的動態分子信號波來觸發胚胎干細胞的分化。文章發表在PLOS Biology。

英國數學家艾倫·圖靈（Alan Turing）于1952年進行的研究認為——信號梯度可以通過“圖靈不穩定性”（ Turing instability）的機制自我組織——從理論上講，這樣的過程將使得一個分子的穩定梯度將不同強度的信號傳遞到每個細胞。

萊斯大學的發現反駁了這個觀點。Warmflash，Chhabra及其同事的研究表明，這種梯度在干細胞克隆中不存在，并且該過程比以前所認為的更具動態性。他們觀察受限的干細胞克隆，并使用數學模型確定這種“圖靈不穩定性”機制無法解釋他們所看到的觸發胚胎干細胞分化的信號傳導方式和波動。干細胞受觸發后分化為三個胚層——內胚層，中胚層和外胚層，然后不同胚層進一步分別分化出器官，骨骼，皮膚和血液——終成為胚胎。

 

研究人員研究了BMP，Wnt和NODAL信號通路之間的動態相互作用，以解碼單個受精細胞成為人類的過程。他們使用特殊形狀的平板來迫使干細胞生長成為微小的圓形克隆/集落。然后研究人員可以在干細胞集落早期到形成分化細胞模式的發展過程中——但還沒到發育成胚胎的程度——觀察、檢測和擾動干細胞集落。

在研究中，研究人員將BMP（骨形態發生蛋白）加入培養克隆。通過這個途徑傳輸的信號使細胞開始并維持一波從細胞到細胞傳遞、從周邊向干細胞集落中心傳播的Wnt信號。Wnt繼而引發了一波NODAL信號，該信號獨立地向中心移動。

通過測量級聯反應，研究表明BMP信號的持續時間決定了中胚層的位置——中胚層是胚胎早期發育的中間層——而Wnt和NODAL信號上調了中胚層的分化。信號通路之間的相互作用決定了中胚層環從哪里開始和停止。

該論文的主要作者Chhabra說：“我們知道這些重要的化學信號，但是此前還沒有人觀察到這些信號在時間和空間上的活動。”通過聚焦中胚層，我們發現分化并非取決于細胞使用的特定水平的某些化學信號。

她說：“目前，我們知道信號傳導始于細胞克隆的邊緣并向內移動，并且紅色（染色的中胚層）細胞的位置與Wnt活性達到峰值的位置有關。” “只有一個特定時期內能允許細胞對信號做出反應。”

Warmflash說，信號到達細胞克隆中心所花費的時間也使細胞克隆中心部分無法分化為中胚層。“信號繼續移動，漸漸充滿整個細胞克隆。。。但是細胞是否會響應該信號則取決于信號到達特定細胞的時間。當信號波到達中間時，位于中心的細胞已經被決定分化成為外胚層。”

研究人員觀察到細胞本身有微小的遷移，但速度很小，不及它們所傳遞的“改變命運的信號”快。

他們還發現，細胞克隆周邊的細胞與已知將在胚胎中成為胎盤細胞的細胞非常匹配。Warmflash說：“關于這些細胞是否代表胎盤樣細胞，該領域存在很多爭議。。。這是因為，要成為胚胎本身的干細胞或成為胎盤，這個決定應該在我們整個模型開始之前就已經決定了的。”

Chhabra通過RNA測序檢查了周邊細胞表達的基因，并將其與近發表的人類早期胚胎胎盤細胞測序數據進行了比較。
“這使我們在本文中可以對這兩件事進行首次比較，” Warmflash說。 “重要的是，這些細胞可以作為人類胎盤的好的模型，就像干細胞可以作為人類胚胎的模型一樣，它不是完美的，但它是一個相當不錯的模型。”