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《Science》发表胚胎学革命性新成果

来源:生物通 作者: 2014-7-16

摘要: 他们对发育分节的过程提出了革命性的描述,该过程不仅由基因振荡的时间尺度控制,而且也由振荡谱和组织缩短的变化所控制。相关研究结果发表在2014年7月11日的《Science》杂志。...


许多动物在发育过程中表现出分节模式。一个经典的例子是,连续有节奏的脊骨节段性前体形成,这个过程与胚胎中的一个振荡器计时——“分节时钟”有关。直到现在,这个模式过程被认为仅仅是由基因振荡(定期触发新的节段形成)的时间尺度所决定。然而,马克斯普朗克研究所的研究人员提出一种更微妙的分节定时控制。他们的研究结果表明,分节的节奏受一种多普勒效应影响,这种多普勒效应是由发生在缩短胚胎组织中的基因表达波(gene expression waves)所引起的。他们对发育分节的过程提出了革命性的描述,该过程不仅由基因振荡的时间尺度控制,而且也由振荡谱和组织缩短的变化所控制。相关研究结果发表在2014年7月11日的《Science》杂志。

你、我和许多其他动物具有什么共同之处?也许这并不是你想到的第一件事,但是我们像它们一样,有一个明显的分节体轴。在我们的发育过程中,空间和时间的线索被整合在一起,形成一定数量的胚胎节段,后来产生了相应的肋骨和脊椎骨。这个模式过程的节奏,对于确定节段的正确数量和大小至关重要,但是它的时间设置是如何被控制的?

科学家认为,在脊椎动物中,基因表达波的开始和捕获是由一个复杂的遗传网络所控制,即所谓的“分节时钟”。 捕获的每个波段可触发一个新节段的形成。科学家认为其根本机制就像一个传统的钟表,有一个准确的周期:一个时钟滴答声等于一个新节段。

为了检验这一假设,马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所的Andy Oates和Frank Jülicher与马克斯普朗克复杂系统物理学研究所的同事合作,研制出一种的转基因斑马鱼(称为Looping),和一种多维延时显微镜,从而让他们能够同时可视化和量化基因表达波和节段形成。他们惊讶地发现,波段的开始和捕获发生在不同的频率,表明分段时间并不能单独通过传统的时钟假说解释。该研究小组表明,这一令人困惑的频率差异,是由一种类似于经典多普勒效应的场景引起的。

想象一下,一辆救护车开过你身边,你有没有注意到,随着汽车开过去,汽笛的声音会发生变化?这就是多普勒效应,随着声源接近然后远离你,由声波的频率变化引起。如果你迅速接近并经过一个固定的声源,也会发生同样的事情。

事实证明,声波完全不像斑马鱼中的基因表达波。这些基因表达波从动物的后段传播到前段(从尾巴到头部)。当它们这样做时,胚胎发育,改变其形状,并且波段在其中传播的的组织缩短。这会引起组织前端的一种相对运动,在那里向后形成新的节段。这种基因表达波的传播运动,可在斑马鱼胚胎的发育过程中引起多普勒效应。此外,这种多普勒效应受一种不断变化波形引起的更微妙作用调节。这种动态的波长效应和多普勒效应,对分节的时间设置具有相反的影响,但是多普勒效应的影响更强。由于这种时间设置,决定着体段的数量和大小,因此它影响着发育肋骨和椎骨的数量和大小。

研究小组的这一发现,可能会彻底改变我们对于发育过程中时间设置的理解。波形变化背后的生物学机制尚不清楚,但是它凸显了发育的复杂特性,和超越胚胎发育稳态和扩展描述的需要。

(生物通:王英)


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