Nature：分节时钟的时间延迟同步振荡调节着胚胎发育

来源：生物谷

在一项新的研究中，来自日本京都大学和日本理化研究所的研究人员在小鼠细胞中利用一种新的活体成像（live-imaging）技术发现一个特定的时钟基因，即Hes7，会在一定的时间延迟内振荡，从而产生脊椎动物中的脊椎骨（vertebrae）、脊柱和枕骨。这一发现揭示了细胞内的通讯在正常发育中如何受到控制和定时，以及涉及哪些化合物。相关研究结果于2020年1月8日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Coupling delay controls synchronized oscillation in the segmentation clock”。

图片来自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-019-1882-z。

在胚胎发育过程中，将形成神经组织和结缔组织的细胞排列在一起并开始表达相关基因。这个过程有规律地发生，发育生物学家称之为分节时钟（segmentation clock）。由此形成的重复结构沿着身体轴线分布，并产生脊椎骨和肋骨。

论文通讯作者、京都大学综合细胞材料科学研究所发育生物学家Ryoichiro Kageyama及其同事们想要了解细胞内的协调动力学。在此之前，人们仅在快照中研究了这一过程，但未使用活体成像。

Kageyama团队建立了一种系统来逐个细胞地观察时钟基因的动态变化。他们将一种新型的荧光蛋白融合到Hes7上，观察到它在组织的每个细胞内的振荡方式，并注意到了这种振荡存在时间延迟。通过使用正常发育的小鼠和其他的缺乏关键调控因子Lfng的小鼠，他们揭示出控制正常发育的信号转导过程存在时间延迟。在发送信号的细胞缺少Lfng的情况下，每个细胞中的动态变化并不同步，而在接收信号的细胞缺乏Lfng的情况下，每个细胞中的振荡幅度较小。在这两种情况下，发育都会受到影响。在先天性脊柱侧凸中，人Lfng基因发生突变。

Kageyama说，“我对在细胞间通讯中存在适当时间延迟的重要性感兴趣---不能太快，也不能太慢。这是违反直觉的，这是因为我简单地认为快速通讯总是最好的。但我们捕捉到的活体图像显示了振荡网络的时间延迟控制机制，这些振荡网络参与了沿着胚体产生分节的过程。这表明存在正确时间延迟的细胞间通讯对正常发育至关重要。”

这项新的研究揭示了细胞内的通讯如何受到控制和定时，并可提高利用校正这种时间延迟控制机制的小分子化合物治疗某些先天性疾病的可能性。更广泛地讲，这种关于时间延迟控制同步的观点可能能够适用于在自然界的多种其他情况下观察到的其他节律现象，比如电振荡和化学振荡。

参考文献：

1.Kumiko Yoshioka-Kobayashi et al. Coupling delay controls synchronized oscillation in the segmentation clock. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-019-1882-z.
2.The perfect tempo within the cells to develop vertebrae
https://phys.org/news/2020-01-tempo-cells-vertebrae.html