解开人类脊椎的起源

A pair of somites — 一对somites。蓝色为核标记(DAPI)，红色为根尖标记(ZO-1)。

脊柱是所有脊椎动物骨骼的中心支撑结构。它不仅为肌肉提供了附着的地方，还保护了脊髓和神经根。众所周知，其发育缺陷会导致罕见的遗传疾病。来自巴塞罗那EMBL的Ebisuya集团的研究人员现在创建了一个3D体外模型，模仿了人类胚胎发育过程中产生脊柱形式的前体结构。

脊柱由33块椎骨组成，形成一对对的前体结构，称为椎体。Somites不仅产生了我们的椎骨，也产生了我们的肋骨和骨骼肌。为了确保这些结构的正确形成，体的发育受到严格的调控，每一对体都在发育过程中特定的连续时间点出现。这个过程是由分割时钟控制的，分割时钟是一组产生振荡波的基因，每一个振荡波都会产生一对新的染色体。

该研究的第一作者Marina Sanaki-Matsumiya说:“这是我们第一次能够在实验室中创造出与分割时钟相关联的周期性人类成熟体对。”利用这种方法，研究人员开发了一个人体体细胞形成的3D体外模型，也被称为“体细胞发生”。

创造一个强大的体细胞发生过程

该团队培养了人类诱导多能干细胞(hiPSC)，在鸡尾酒信号分子的存在，诱导细胞分化。三天后，细胞开始伸长并形成前(上)轴和后(下)轴。这时，科学家们将基质凝胶加入到混合培养液中。Matrigel是一些科学家所说的神奇粉末:一种对许多发育过程至关重要的蛋白质混合物。这一过程最终导致了体样体的形成——在体外相当于人类体前体结构。

为了测试分段时钟是否调控这些类体细胞的体细胞发生，研究人员监测了参与这一过程的核心基因HES7的表达模式。他们发现了振动的明显证据，尤其是在体细胞发育即将开始的时候。形成的体细胞也有明显的上皮化标志——上皮化是其成熟的重要步骤。

Ebisuya小组研究了人类在胚胎发育方面与其他物种的不同之处以及原因。他们用来理解物种间差异的模型系统之一是分割时钟。在2020年，该团队发现人类分割时钟的振荡周期比鼠标分割时钟更长。

目前的研究还显示了somites的大小和分割时钟之间的联系。“产生的体细胞有一个恒定的大小，独立于用于初始体细胞的细胞数量。即使初始细胞数目增加，胞体大小也不增加。”Sanaki-Matsumiya解释道。“这表明，体细胞有一个偏好的物种特异性大小，这可能是由局部细胞-细胞相互作用、分段时钟或其他机制决定的。”

为了进一步研究这一点，Miki Ebisuya和她的团队正在计划培育不同物种的类体细胞，并对它们进行比较。这组科学家已经在研究一些哺乳动物物种，包括兔子、牛和犀牛，在实验室里建立了一个“干细胞动物园”。

Ebisuya说:“我们的下一个项目将专注于从不同物种中创造类体细胞，测量它们的细胞增殖和细胞迁移速度，以确定不同物种间的体细胞发生有何不同以及如何不同。”