胚胎模型中紧密连接的关键功能

随着人类胚胎的生长，一组分子引导细胞繁殖，并在胚胎内呈现出特定的身份和空间位置。在一个被称为原肠胚形成的关键步骤中，这些信号分子引导单层胚胎干细胞形成三层不同的细胞类型，这些细胞类型随后将成为身体的不同部分。

现在，格莱斯顿研究所iPS 细胞研究中心 的研究人员表明，细胞之间的紧密连接可能在人类胚胎原肠胚形成中发挥关键作用。

“这项研究对于我们设计原肠胚形成模型和其他将干细胞分化为特殊细胞类型的实验室技术的方式具有令人兴奋的影响，”格莱斯顿高级研究员、发表在该杂志上的研究的高级作者Shinya Yamanaka博士说发育细胞。“我们对胚胎信号机制了解得越多，我们就越容易以稳健、可重复的方式重现这些过程。”

该团队已经在应用他们的研究结果来开发新技术，将培养皿中的干细胞转化为人类卵细胞——这一策略有一天可能用于体外受精。

边缘发现

原肠胚形成为整个人体的发育奠定了基础。研究人员找到了在培养皿中重建这一基本过程的简化版本的方法，从一层诱导多能干细胞(iPS 细胞)开始，iPS 细胞已被重新编程以模仿胚胎干细胞，这意味着它们可以分化为任何类型的细胞。体内的细胞类型。

然后，科学家添加了一种名为 BMP4 的蛋白质，这是原肠胚形成过程中的关键信号分子，它会导致培养皿中的细胞开始形成胚胎中的三层细胞。然而，由于所有细胞似乎都接收到相同的 BMP4 信号，因此尚不清楚为什么有些细胞会转变为一种细胞类型，而另一些细胞会转变为不同的细胞类型。

该研究的主要作者、格莱斯顿大学前博士后研究员 Ivana Vasic 博士表示：“这在该领域是一个令人头疼的问题。” “所有这些细胞要么以不同的方式解释来自 BMP4 的相同提示，要么它们没有真正获得相同的提示。”

在实验室创建原肠胚形成模型时，Vasic 观察到培养皿中聚集在一起的 iPS 细胞含有蛋白质，这些蛋白质是紧密连接的组成部分，而紧密连接是细胞之间的屏障。但她也注意到，紧密连接并不总是真正组装起来。

山中伸弥、瓦西克和他们的团队发现，在限制较少的空间中培养细胞可以使紧密连接一致地组装。当他们将 BMP4 添加到不受限制的细胞中时，他们得到了“顿悟”时刻：只有簇边缘的细胞接收到足够的 BMP4 来激活分子途径，从而推动它们成为不同层的细胞类型。

“相邻细胞之间的紧密连接似乎使它们不受 BMP4 信号的影响，”Vasic 说。“但是边缘细胞没有伙伴可以与其外侧形成紧密连接，这意味着它们从 BMP4 获得了最强的信号。”

为了证实紧密连接在原肠胚形成中的重要性，研究人员使用 CRISPR 基因组编辑技术来抑制 TJP1 的产生，TJP1 是一种对于 iPS 细胞中形成紧密连接至关重要的蛋白质。当他们将 BMP4 应用于缺乏 TJP1 蛋白的细胞时，每个细胞都被激活，而不仅仅是边缘细胞。

“我们发现，去除紧密连接会使所有细胞对 BMP4 产生反应，”山中伸弥说。他也是加州大学旧金山分校的解剖学教授，也是 iPS 细胞研究和应用中心 (CiRA) 的名誉主任和教授。 )，日本京都大学。“这表明紧密连接阻止细胞对原肠胚形成模型中的信号做出反应，更根本的是，细胞的结构对于它们如何接收分化信号非常重要。”

“从广义上讲，这项研究证明了对 iPS 细胞先天特性的干扰如何调节它们对细胞外信号的敏感性并改变它们的细胞命运轨迹，”格拉德斯通前高级研究员、该研究的资深作者 Todd McDevitt 博士说。“这一原理可能会改变游戏规则，释放 iPS 细胞的潜力，产生用于治疗应用的更同质的分化细胞群。”

在培养皿中创建卵细胞

然后，研究小组仔细研究了 BMP4 在扰乱紧密连接形成后激活的细胞的身份。

“我们偶然发现了一个非常令人兴奋的发现：事实证明，我们可以创造一种特殊类型的细胞，称为原始生殖细胞样细胞，”瓦西克说。“这些是在实验室中产生的干细胞，类似于人类精子和卵细胞的前体。”

研究人员长期以来一直在寻找一种可靠的方法来产生原始生殖细胞样细胞，但很难从 iPS 细胞中产生它们。Vasic 和她的同事发现，抑制 TJP1 可以为有效生产这些独特细胞的新方法奠定基础。

现在，Vasic 成立了一家新公司 Vitra Labs，将这种方法应用于治疗女性不孕症的可能新策略。

“我们本质上是试图重现鸡蛋生产的生物过程，这样我们就可以生产出人们可以用于体外受精的鸡蛋，”瓦西克说。“这是我们研究中的锦上添花。”