ธรรมชาติ: เผยนาฬิกาส่วนที่ควบคุมพัฒนาการของกระดูกสันหลังของมนุษย์

กว่า 20 ปีที่ผ่านมาห้องปฏิบัติการของนักชีววิทยาผู้พัฒนา Olivier Pourquiéค้นพบนาฬิกาเซลล์ในตัวอ่อนไก่ซึ่งทุก ๆ "ติ๊ก" ของนาฬิกาเซลลูลาร์จะส่งเสริมสิ่งที่เรียกว่า somite) มีการสร้างโครงสร้างขึ้นมา

ในปีต่อ ๆ มาPourquiéและคนอื่น ๆ ใช้เซลล์เมาส์เพื่อสร้างแบบจำลองแรกของนาฬิกาแบ่งส่วนที่เรียกว่านี้ในจานห้องปฏิบัติการและทำการทดลองอื่น ๆ เพื่อชี้แจงกลไกนี้ของนาฬิกาแบ่งส่วนในสิ่งมีชีวิตจำนวนมาก

แม้ว่าความพยายามในการวิจัยเหล่านี้จะช่วยเพิ่มความเข้าใจเกี่ยวกับการพัฒนาของกระดูกสันหลังและผิดปกติ แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครสามารถยืนยันได้ว่านาฬิกาแบ่งส่วนนั้นมีอยู่ในมนุษย์หรือไม่

ในการศึกษาใหม่Pourquiéและทีมวิจัยของเขารายงานว่าหลังจากทำงานหนักมานานหลายทศวรรษพวกเขาใช้เซลล์ต้นกำเนิดที่ได้จากเนื้อเยื่อของผู้ใหญ่ในอาหารเลี้ยงเชื้อในห้องปฏิบัติการเพื่อสร้างชุดนาฬิการุ่นแรก ความสำเร็จนี้ไม่เพียง แต่เป็นหลักฐานแรกที่บ่งบอกว่านาฬิกาแบ่งเป็นส่วนหนึ่งในร่างกายมนุษย์ แต่ยังให้นักวิทยาศาสตร์รุ่นแรกในหลอดทดลองเพื่อศึกษาการพัฒนากระดูกสันหลังของมนุษย์ในช่วงต้น ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องได้รับการเผยแพร่ออนไลน์ในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 8 มกราคม 2020 ชื่อของบทความนี้คือ "การศึกษาลักษณะภายนอกของนาฬิกาแบ่งส่วนมนุษย์"

Pourquiéกล่าวว่า "เราไม่รู้อะไรเลยเกี่ยวกับการพัฒนา sarcomere ของร่างกายมนุษย์ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างสัปดาห์ที่สามถึงสัปดาห์ที่สี่หลังจากการปฏิสนธิในเวลานี้ผู้หญิงส่วนใหญ่ไม่ทราบว่าพวกเขากำลังตั้งครรภ์โมเดลของเราควร เป็นระบบที่ทรงพลังสำหรับการศึกษากฎพื้นฐานของนาฬิกาส่วน "

"รูปแบบการทดลองเชิงนวัตกรรมของเราตอนนี้ช่วยให้เราสามารถเปรียบเทียบการพัฒนาของหนูและมนุษย์เคียงข้างกันฉันรู้สึกตื่นเต้นที่จะเปิดเผยเอกลักษณ์ของการพัฒนามนุษย์" Margarete Diaz-Cuadros ผู้เขียนร่วมบทความแรกและนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาใน ห้องปฏิบัติการของPourquié

เซลล์ต้นกำเนิดแบบจำลองเหล่านี้เปิดประตูสู่การทำความเข้าใจกับสภาพของกระดูกสันหลังเช่น conolital scoliosis และโรคที่เกี่ยวข้องกับเนื้อเยื่อที่มีต้นกำเนิดจาก Mesoderm ที่เป็น Parallel เนื้อเยื่อเหล่านี้รวมถึงกล้ามเนื้อโครงร่างและไขมันสีน้ำตาลทั่วร่างกายเช่นเดียวกับกระดูกผิวหนังและผนังด้านในของหลอดเลือดในลำตัวและหลัง

Pourquiéหวังว่านักวิทยาศาสตร์จะสามารถใช้แบบจำลองเซลล์ต้นกำเนิดใหม่เหล่านี้เพื่อสร้างเซลล์เนื้อเยื่อที่แตกต่างสำหรับการวิจัยและการปฏิบัติทางคลินิกเช่นเซลล์กล้ามเนื้อโครงร่างสำหรับกล้ามเนื้อ dystrophy และ adipocytes สีน้ำตาลสำหรับโรคเบาหวานประเภท 2

แม้ว่านักวิทยาศาสตร์ได้ทำการดัดแปลงโปรแกรมเซลล์ของผู้ใหญ่ให้กลายเป็นเซลล์ต้นกำเนิด pluripotent (เซลล์ iPS) และเหนี่ยวนำให้พวกเขาผลิตเนื้อเยื่อหลายชนิดตามเส้นทางการพัฒนาที่เฉพาะเจาะจงเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อและกระดูกพิสูจน์ให้เห็นว่าจัดการได้ยาก อย่างไรก็ตามPourquiéและเพื่อนร่วมงานค้นพบในที่สุดว่าเมื่อเซลล์ iPS ที่ได้รับถูกแช่อยู่ในสื่อการเจริญเติบโตมาตรฐานการเติมสารเพียงสองชนิดเท่านั้นที่สามารถส่งเสริมการก่อตัวของเนื้อเยื่อกระดูกและกล้ามเนื้อ

“ เราสามารถผลิตเนื้อเยื่อที่มีต้นกำเนิดจาก mesoderm ที่มีประสิทธิภาพประมาณ 90% นี่เป็นจุดเริ่มต้นที่ดีมาก” Pourquiéกล่าว

ทีมPourquiéยังใช้เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนเพื่อสร้างแบบจำลองที่คล้ายกัน

ทีมPourquiéรู้สึกประหลาดใจที่พบว่าในจานเพาะเชื้อของเม้าส์และเซลล์มนุษย์นาฬิกาส่วนนี้เริ่มฟ้องและเซลล์เหล่านี้ไม่จำเป็นต้องวางไว้บนนั่งร้านแบบสามมิติใกล้กับร่างกายมนุษย์ก่อน

“ มันน่าทึ่งที่มันทำงานในรูปแบบสองมิติมันเป็นแบบอย่างที่ดี” Pourqui กล่าว

ทีมPourquiéพบว่านาฬิกาแบ่งเวลาทุก 5 ชั่วโมงในเซลล์มนุษย์และทุก 2.5 ชั่วโมงในเซลล์เมาส์ พวกเขากล่าวว่าความแตกต่างของความถี่นี้สอดคล้องกับความแตกต่างของหนูและเวลาการตั้งครรภ์ของมนุษย์

หนึ่งในโครงการถัดไปของ Pourquie คือการศึกษาสิ่งที่ควบคุมอัตราผันแปรของนาฬิกาแบ่งส่วนนี้และสิ่งที่ท้าทายยิ่งกว่าคือสิ่งที่ควบคุมเวลาการพัฒนาของตัวอ่อนในสายพันธุ์ต่าง ๆ “ มีปัญหาที่น่าสนใจมากมายที่ต้องได้รับการแก้ไข” เขากล่าว