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人类受精卵是怎样发育成胎儿的?

时间:2018-06-10 19:51:00 来源:网易健康 编辑:天门养生 点击:次
  这是一张人体胚胎发育过程的图片,可以看到,生命最初不过是一团毫无规则的细胞,却神奇地、自发地逐渐长成了手脚俱全的小宝宝。

  那么,从细胞球,到有独立形态和意识的个体,这个过程中到底发生了什么?


  人,何以为人?


  本周,《自然》杂志发布了一项绝对可以称为胚胎学里程碑的研究。由洛克菲勒大学AH Brivanlou教授带领的学者团队,终于从人胚胎干细胞诱导得到了调控胚胎发育的神秘的“组织者细胞”,该细胞能够向其他细胞发送信号以决定这些细胞的“命运”。当科学家们激动地把“组织者细胞”植入鸡胚胎,鸡胚胎竟然长出了第二条中枢神经——这是单个生命的起源!

  这是人类学者,首次在包括自己在内的灵长目动物中证实了“组织者细胞”的存在,也是首次得以窥探单个人类生命的起源!科学界的百年夙愿至此得偿!


  是的,这个故事还要从100年前说起。


  人类受精卵是怎样发育成胎儿的?


  20世纪初,有一位名为Hans Spemann的科学家,他进行了一项很有趣的实验。
  Spemann利用婴儿的头发将发育中的蝾螈早期胚胎一分为二,本以为按照当时流行的生物学理论,这两团细胞应该各长成半个胚胎,可是呢,它们却分别长成了两只完整的蝾螈。通过调整头发的松紧,不彻底分离早期胚胎,他甚至还得到了不同程度的蝾螈“连体婴”。
  这反映了一个很关键的问题——胚胎,并不是从受精卵开始就能被看作一个个体的(想想同卵双胞胎),在发育过程的某一个节点,它从一团细胞变成了一个生命。
  所以!到底是什么时候!发生了什么!对于求知欲强的人来说简直抓心挠肝了!

  Spemann和他的学生Hilde Mangold展开了相关的研究。胚胎早期是一团紧紧的细胞,在进入原肠期的时候,才会形成多层的、具有对称结构的复杂组织。在这个阶段,胚胎上会形成一条沟壑,名叫原条(primitive streak)。它是胚胎细胞表现出不同分化倾向的关键。


  人类受精卵是怎样发育成胎儿的?


  原条是胚胎发育过程中十分重要的结构,它将成为个体的左右轴,以其为中心生长出中枢神经、各种组织和器官,逐渐发育成完整个体
  就在蝾螈胚胎原条的附近,Spemann和Mangold发现了一组特殊的细胞。这组细胞有多特殊?就这么说吧,把这团细胞剪下来,“粘”到另一个胚胎上,这个位置就会生长出另一条中枢神经,最终长成两条连体蝾螈!
  组织者细胞移植过程
  组织者细胞移植培育出的连体生物
  Spemann把这种细胞叫做“组织者细胞”(Organizer,也被称为Spemann-Mangold organizer),意思就是说这些细胞是胚胎的组织中心,它们会引导其他的细胞根据需要发育,这个过程即为“胚胎诱导”。
  因为这项贡献,Spemann于1935年获得了诺贝尔生理学或医学奖,遗憾的是Mangold在1924年因意外去世了,不然领奖台上也应该有她一席之地。顺便一说,Spemann也是第一个进行两栖类体细胞核移植的人,他还发明了玻璃针等微操工具,为发育生物学的前进做出了很大的贡献。
  人类受精卵是怎样发育成胎儿的?

  在Spemann之后,科学家们陆续在禽类、青蛙和啮齿类的胚胎中找到了“组织者细胞”,但是这种神奇的细胞是否存在于人类胚胎却始终是个未知数。


  科学遇到了伦理的考验。


  “组织者细胞”的出现在原条附近,而原条的形成恰恰位于一个关键的时间点上——14天。正如我们前文所说,原条出现在胚胎从一团细胞到具有复杂结构的关键过渡期,生命伦理委员会认为,在此之前,我们尚不清楚胚胎是否会形成一个或多个生命,也就是说这时的胚胎还不能够称之为“个体”;但是在14天时,原条形成了,我们已经能够确定这个胚胎只会长成一个个体了,它就正式成为了“生命”,成了一个人类。[3]

  在伦理学上,我们是不能够用人体做实验的,在部分国家,体外培育超过14天的人类胚胎是违法的行为。


  人类受精卵是怎样发育成胎儿的?


  其实在2016年,Brivanlou教授就进行过极限地尝试了。他们在实验室里把人类胚胎培养到了第13天,也确实发现了一些以前没有的细胞发育现象,但是还是没有找到他们最想要看到的组织者细胞。最终,研究者们不得不在胚胎“长出手脚”之前终止实验。
  而今天我们看到的这项研究,可以说是研究者耍了一个小聪明。既想要胚胎里的组织,又不能直接从胚胎获取,那就只能求助于胚胎干细胞(hESCs)了!
  从很早之前[5],研究者们就一直在摸索诱导胚胎干细胞升成早期胚胎结构的方法。胚胎的形成依赖于复杂的信号通路,包括Nodal、Wnt等等我们熟知的老朋友。在最新的研究中,研究者们终于确定,使用Nodal和Wnt这两种重要的信号通路,即可诱导胚胎干细胞生成具有组织者细胞特征的组织。
  当把这些组织移植到12小时龄的鸡胚胎(相当于14天龄的人类胚胎)时,令人激动的事情发生了!随着胚胎的生长,这些组织者细胞引导鸡胚胎细胞分化并形成了第二个神经系统!除了这种杂交胚胎并不能孵化之外,实验结果与1924年Spemann进行的蝾螈实验近乎完全一致!
  红色染色标记的为移植的组织者细胞
  这项研究获得了许多发育生物学家的称赞。这种类似于胚胎的组织能够帮助研究者了解,在胚胎发育过程中到底发生了什么,到底是什么让这些细胞知道自己要往何处去。这项技术让研究者跨越了14天的伦理限制。
  英国剑桥大学的发育生物学家Ben Steventon说,这种新方法可以用于研究人类于其他物种在早期发育过程中,细胞间信号传递的变化。
  德国霍恩海姆大学的学者Matin Blum则表示,这项技术也避免了实验室内于人胚胎相关的伦理问题,“这是一项真正的进步,我们不需要使用真正的胚胎。”
  不过研究者Brivanlou教授本人倒是不太同意这种看法,他认为真正的胚胎是无法被任何取代的,“当我们尝试建立模型,我们所做的任何事情都是在过度简化它。”
  Brivanlou教授的下一步目标是确定组织者细胞到底如何影响它的邻居们,这将会为再生医学做出贡献。
  “人类胚胎干细胞和卵子具有生命的所有信息,这是多米诺骨牌的第一块。”Brivanlou教授说,这是几代人的事业。

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