两篇Science论文成功设计发育信号，有望为再生医学指明方向
来源：本站原创 2020-10-20 16:21
2020年10月20日讯/生物谷BIOON/---一个微小的胚胎要想发育成一个成年的有机体，它的细胞必须以精确的模式发育，并以精心安排的方式与周围的细胞相互作用。为了构建复杂的组织和器官，所有这些发育中的细胞都必须不断地回答一个基本的、但令人惊讶的困难问题：我在哪里？美国加州大学旧金山分校分子与细胞药理学系主任Wendell Lim博士说，“在再生医学领域，
2020年10月20日讯/生物谷BIOON/---一个微小的胚胎要想发育成一个成年的有机体，它的细胞必须以精确的模式发育，并以精心安排的方式与周围的细胞相互作用。为了构建复杂的组织和器官，所有这些发育中的细胞都必须不断地回答一个基本的、但令人惊讶的困难问题：我在哪里？
美国加州大学旧金山分校分子与细胞药理学系主任Wendell Lim博士说，“在再生医学领域，我们可以用干细胞构建类器官来研究疾病，但我们还不能将它们放入人体内，让它们修复伤口或治愈病变组织。其中一个重要原因是，我们没有正确的信号来告诉细胞去哪里，以及当它们到达那里时该做什么。”
发育中的有机体体内的细胞跟踪它们在哪里以及它们应该做什么的方法之一是通过一类称为成形素（morphogen）的化学信号。这类信号由所谓的组织者细胞（organizer cell）产生，并通过局部组织向外扩散。随着这些信号的扩散，它们的浓度会逐渐减弱，从而准确地告诉局部细胞它们离信号源有多远。随着多个组织者细胞在生长中的有机体的关键位置大量产生不同的成形素，细胞可以构建一个三维空间地图来指导它们发育成复杂的组织，就像细胞GPS坐标系统一样。
科学家们仍在努力了解成形素的信号是如何在适当的距离内传播的，以及细胞如何被校准以在适当的时间对适当的成形素浓度做出反应。但是，这些问题很难研究，这是因为天然的成形素以许多复杂的难以定义的方式与环境相互作用。
Lim的研究团队与英国弗朗西斯-克里克研究所的Guillaume Salbreux研究团队和Jean-Paul Vincent研究团队独立地采用了一种创新的方法从头开始设计合成成形素，而不是一次一个地解构成形素。他们的目标是研究是什么让成形素发挥作用，也许有朝一日可以构建出合成信号来协助控制组织再生或指导治疗性细胞愈合伤口或对抗癌症。相关研究结果以两篇论文的形式发表在2020年10月16日的Science期刊上，论文标题分别为“Engineering synthetic morphogen systems that can program multicellular patterning”和“Patterning and growth control in vivo by an engineered GFP gradient”。
Lim团队利用一种名为绿色荧光蛋白（GFP）的惰性分子开始研究，细胞通常不对这种分子作出反应。为了让细胞有能力对这种新信号做出反应，他们使用特殊类型的抗体来创建GFP反应性受体，即对GFP作出反应的受体。他们通过将编码这些受体的基因插入到实验室培养皿中的细胞，并将它们与之前开发的一种名为SynNotch的细胞控制系统连接起来。
当这些研究人员指示位于培养皿一端的一部分组织者细胞产生GFP时，从这一部分组织者细胞中扩散开来的GFP激活了这些工程受体（即前面提及的GFP反应性受体），并在周围的细胞中赋予了模式化的基因活性。
Lim说，“我认为这是相当惊人的，构建一种天然的成形素并不是很困难。这让我们了解到，在多细胞进化的早期，更简单的信号分子可能已经进化成为成形素。”
在加州大学旧金山分校，Lim团队发现这些合成成形素可以引导新的、用户定义的条纹图案形成。在弗朗西斯-克里克研究所，Salbreux团队和Vincent团队在活体果蝇中使用了类似的方法，结果发现合成成形素可以代替天然信号，成功地形成果蝇翅膀中的复杂图案。
这些研究人员说，鉴于这些系统中的所有相互作用都是可以设计的，它们的特性是已知的，因此可以对它们进行数学建模。这些研究为利用成形素形成图案的可测试理论开辟了道路，有朝一日可能能够帮助科学家们像机器人一样对细胞进行编程，使得它们沿着分子轨迹寻找并再生受伤或患病的组织。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Satoshi Toda et al. Engineering synthetic morphogen systems that can program multicellular patterning. Science, 2020, doi:10.1126/science.abc0033.
2.Kristina S. Stapornwongkul et al. Patterning and growth control in vivo by an engineered GFP gradient. Science, 2020, doi:10.1126/science.abb8205.
3.Naama Barkai et al. Reconstituting tissue patterning. Science, 2020, doi:10.1126/science.abe4217.
4.Engineered developmental signals could illuminate regenerative medicine
https://phys.org/news/2020-10-developmental-illuminate-regenerative-medicine.html
美国加州大学旧金山分校分子与细胞药理学系主任Wendell Lim博士说，“在再生医学领域，我们可以用干细胞构建类器官来研究疾病，但我们还不能将它们放入人体内，让它们修复伤口或治愈病变组织。其中一个重要原因是，我们没有正确的信号来告诉细胞去哪里，以及当它们到达那里时该做什么。”
图片来自CC0 Public Domain。
发育中的有机体体内的细胞跟踪它们在哪里以及它们应该做什么的方法之一是通过一类称为成形素（morphogen）的化学信号。这类信号由所谓的组织者细胞（organizer cell）产生，并通过局部组织向外扩散。随着这些信号的扩散，它们的浓度会逐渐减弱，从而准确地告诉局部细胞它们离信号源有多远。随着多个组织者细胞在生长中的有机体的关键位置大量产生不同的成形素，细胞可以构建一个三维空间地图来指导它们发育成复杂的组织，就像细胞GPS坐标系统一样。
科学家们仍在努力了解成形素的信号是如何在适当的距离内传播的，以及细胞如何被校准以在适当的时间对适当的成形素浓度做出反应。但是，这些问题很难研究，这是因为天然的成形素以许多复杂的难以定义的方式与环境相互作用。
Lim的研究团队与英国弗朗西斯-克里克研究所的Guillaume Salbreux研究团队和Jean-Paul Vincent研究团队独立地采用了一种创新的方法从头开始设计合成成形素，而不是一次一个地解构成形素。他们的目标是研究是什么让成形素发挥作用，也许有朝一日可以构建出合成信号来协助控制组织再生或指导治疗性细胞愈合伤口或对抗癌症。相关研究结果以两篇论文的形式发表在2020年10月16日的Science期刊上，论文标题分别为“Engineering synthetic morphogen systems that can program multicellular patterning”和“Patterning and growth control in vivo by an engineered GFP gradient”。
Lim团队利用一种名为绿色荧光蛋白（GFP）的惰性分子开始研究，细胞通常不对这种分子作出反应。为了让细胞有能力对这种新信号做出反应，他们使用特殊类型的抗体来创建GFP反应性受体，即对GFP作出反应的受体。他们通过将编码这些受体的基因插入到实验室培养皿中的细胞，并将它们与之前开发的一种名为SynNotch的细胞控制系统连接起来。
当这些研究人员指示位于培养皿一端的一部分组织者细胞产生GFP时，从这一部分组织者细胞中扩散开来的GFP激活了这些工程受体（即前面提及的GFP反应性受体），并在周围的细胞中赋予了模式化的基因活性。
Lim说，“我认为这是相当惊人的，构建一种天然的成形素并不是很困难。这让我们了解到，在多细胞进化的早期，更简单的信号分子可能已经进化成为成形素。”
在加州大学旧金山分校，Lim团队发现这些合成成形素可以引导新的、用户定义的条纹图案形成。在弗朗西斯-克里克研究所，Salbreux团队和Vincent团队在活体果蝇中使用了类似的方法，结果发现合成成形素可以代替天然信号，成功地形成果蝇翅膀中的复杂图案。
这些研究人员说，鉴于这些系统中的所有相互作用都是可以设计的，它们的特性是已知的，因此可以对它们进行数学建模。这些研究为利用成形素形成图案的可测试理论开辟了道路，有朝一日可能能够帮助科学家们像机器人一样对细胞进行编程，使得它们沿着分子轨迹寻找并再生受伤或患病的组织。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Satoshi Toda et al. Engineering synthetic morphogen systems that can program multicellular patterning. Science, 2020, doi:10.1126/science.abc0033.
2.Kristina S. Stapornwongkul et al. Patterning and growth control in vivo by an engineered GFP gradient. Science, 2020, doi:10.1126/science.abb8205.
3.Naama Barkai et al. Reconstituting tissue patterning. Science, 2020, doi:10.1126/science.abe4217.
4.Engineered developmental signals could illuminate regenerative medicine
https://phys.org/news/2020-10-developmental-illuminate-regenerative-medicine.html
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