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人类为啥比小鼠发育更慢?两篇《科学》找到意想不到的原因
发布日期:2020-09-18 11:15:19  稿源:学术经纬

所有的哺乳动物都遵循着类似的胚胎发育过程:它们会以同样的顺序,经历同样的胚胎发育事件,连使用的基因和分子信号都几乎如出一辙。可是,不同的哺乳动物,胚胎发育过程却快慢有别。人类要“十月怀胎”,小鼠却只要不到一个月的时间。这是为什么呢?

在今日上线的最新一期《科学》杂志上,两篇论文对这个问题进行了回答。而科学家们找到的答案,则让我们对胚胎发育有了新的认知。

第一项研究来自英国弗朗西斯·克里克研究所。科学家们专注于运动神经元的发育,并指出这种神经元在小鼠中只需要3-4天就可以形成,而在人类中却需要约2周。为了找到背后的原因,研究人员们使用来自小鼠和人类的干细胞,作为研究对象。

在实验室的培养中,他们也观察到这些干细胞分化成运动神经元的速度有所区别,人类细胞花的时间更久,约是小鼠的两倍。这个结果表明,发育速度的快慢,关键更有可能来自细胞内部,而非来自外部环境的信号。

那么,是不是因为小鼠和人类的基因不同,导致了发育过程的快慢呢?研究人员们将人类的基因片段引入小鼠细胞内,并没有拖慢小鼠的发育过程。这个结果也表明,发育快慢并非取决于关键基因序列或是其调控元件。

本研究的图示

本研究的图示

有意思的是,后续研究发现,在人类和小鼠细胞中,蛋白降解的速度有着明显差异。在正常细胞中,蛋白就会不断降解,产生的氨基酸会被循环利用,合成新的蛋白质。在小鼠细胞中,蛋白降解的速度是人类细胞中的2倍。模拟结果发现,这足以解释两者发育的速度差异。

“在胚胎发育的过程中,人类和小鼠的运动神经元使用同样的基因与分子,只是人类的这一过程会更久。人类胚胎里的蛋白质比小鼠中的更稳定,因此放慢了人类发育的节奏。”本研究的第一作者Teresa Rayon博士说道。这就好像两支乐队拿到的是同样的乐谱,但却依照不同的节拍进行演奏。

遗憾的是,目前我们不知道是什么影响了蛋白质在这些细胞内的稳态。这也是科学家们未来研究的方向。

在第二项研究里,来自日本理化学研究所生命机能科学研究中心的团队也比较了小鼠和人类的胚胎发育速度,想要找到背后的原因。他们同样使用了来自小鼠和人类的干细胞,诱导它们分化成其他的细胞类型。通过抑制外部的信号,或是将细胞隔离生长的方法,研究人员们确认,影响发育速度的关键不在外部,而在细胞内。

起初,他们把注意力放在了一种叫做HES7的关键调控基因上。但同样,他们交换了人类与小鼠细胞内的相应基因,却没有观察到发育周期的变化。

“没有观察到基因带来的变化,让我们考虑细胞内生化反应不同的可能性。”本研究的通讯作者Miki Ebisuya教授说道。于是,他们开始观察HES7蛋白的降解速率与表达情况在这两种细胞内是否不同。后续的研究证实了他们的猜测——无论是小鼠的HES7蛋白,还是人类的HES7蛋白,在人类细胞中的降解速度都要更慢。此外,HES7基因的转录和翻译成蛋白的过程,以及HES7的RNA剪接的速度也有所不一。

发育过程中,“慢”有时也有其价值(图片来源:Image by Pexels from Pixabay)

发育过程中,“慢”有时也有其价值(图片来源:Image by Pexels from Pixabay)

研究人员们指出,这些结果表明人类与小鼠细胞内的环境,是决定生化反应速度的关键因素,也导致了发育速度的不同。

《科学》杂志对这两篇论文的评语指出,全局的生化反应速率,在决定发育速度的过程中扮演了重要角色。这些发现也由此让我们对发育过程有了新的认知。

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