我們終于看到了人類手指和腳趾是如何生長的

人類的手指和腳趾不會像你想象的那樣向外生長。取而代之的是,我們靈巧的手指被“雕刻”在一個更大的基礎(chǔ)芽中。

現(xiàn)在第一個人類細(xì)胞圖譜早期肢體發(fā)育終于以精致的細(xì)節(jié)揭示了這是如何發(fā)生的。

在此之前,我們對脊椎動物肢體發(fā)育的理解主要基于模式生物,如小鼠和雞胚胎,以及實驗室培養(yǎng)的干細(xì)胞.

雖然人類有一些相似之處對于其他脊椎動物,它們的生物學(xué)顯然與我們不同。

早期肢體形成的細(xì)節(jié)也因技術(shù)限制而變得有些模糊,現(xiàn)在已經(jīng)超越了,并且限制使用人類胚胎進(jìn)行超過14天的研究,一條規(guī)則已經(jīng)放寬了在嚴(yán)格的道德規(guī)定下。

到目前為止,這幅畫有四肢初期興起作為從胚胎體側(cè)面突出的無形肢芽。八周后,如果一切按計劃進(jìn)行,這些袋子已經(jīng)變成了解剖學(xué)上獨(dú)特的、可識別的四肢,包括手指和腳趾。

這是早期胚胎發(fā)育中一個非凡的過程,可以說是我們最定義人體特征:我們長而細(xì)長的拇指.

2014年科學(xué)家描述在胚胎發(fā)育的精確時刻表達(dá)的特定分子如何塑造手指和腳趾的形成,盡管這些預(yù)測是基于對實驗數(shù)據(jù)的模擬。

現(xiàn)在,由中國中山大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)家張寶領(lǐng)導(dǎo)的一個國際團(tuán)隊通過分析來自捐贈胚胎組織的數(shù)千個單細(xì)胞,對這一過程進(jìn)行了精細(xì)的著色,這些單細(xì)胞的發(fā)育時間在5到9周之間。

基因表達(dá)模式揭示了人類手指在胚胎組織中的形成。(Zhang等,自然界, 2023)

“我們從125,955個捕獲的單個細(xì)胞中確定了67個不同的細(xì)胞簇,并將它們在四個孕早期時間點(diǎn)進(jìn)行了空間映射,以揭示肢體發(fā)育的新視角,”該團(tuán)隊在他們發(fā)表的論文中。

“在這樣做的過程中,我們發(fā)現(xiàn)了幾種新的細(xì)胞狀態(tài),”他們.

“我們揭示的是一個高度復(fù)雜且受到精確監(jiān)管的過程,”Hongbo Zhang,資深作者,中國中山大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)家。

“這就像看著一個雕塑家在工作,鑿開一塊大理石,露出一件杰作。在這種情況下,大自然是雕塑家,其結(jié)果是我們的手指和腳趾的復(fù)雜性令人難以置信。

正如你在下面的視頻中看到的,研究人員繪制了基因表達(dá)模式,以了解這些遺傳指令如何塑造數(shù)字的形成方式。

從朦朧的開始,IRX1(在下面的視頻中以水綠色表示)的表達(dá),一種對手指形成至關(guān)重要的基因,以及SOX9(在視頻中以洋紅色表示),一種對骨骼發(fā)育至關(guān)重要的基因,在發(fā)育中的肢體中以五個不同的長度重疊。

在發(fā)育約 7 周時,程序性細(xì)胞死亡指令在聚集在這些長度之間的未分化細(xì)胞中開啟(與 MSX1 的表達(dá)相關(guān),在視頻中以黃色表示),并顯示輪廓分明的手指和腳趾。

就像一塊大理石被這些基因的表達(dá)雕刻成杰作一樣,我們的手指和腳趾從頭到腳被鑿出,因為不需要的細(xì)胞會消退。

此過程中的小違規(guī)行為可導(dǎo)致肢體畸形,其中每 500 人中就有 1 人與生俱來 - 使它們成為出生時最常報告的綜合征之一。

研究人員還繪制了與先天性疾病相關(guān)的基因的表達(dá)圖譜,例如短手指(短指(brachydactyly)) 或蹼狀數(shù)字 (并指畸形),以更好地了解肢體發(fā)育偏離軌道的位置。

“我們第一次能夠捕捉到肢體發(fā)育的非凡過程,直至空間和時間上的單細(xì)胞分辨率,”莎拉·泰希曼(Sarah Teichmann),惠康桑格研究所(Wellcome Sanger Institute)的資深作者和計算生物學(xué)家。

她說,創(chuàng)建單細(xì)胞圖譜“加深了我們對解剖學(xué)復(fù)雜結(jié)構(gòu)如何形成的理解,幫助我們揭示人類健康發(fā)育背后的遺傳和細(xì)胞過程,對研究和醫(yī)療保健具有許多意義。

重要的是,研究人員還表明,人類和小鼠的肢體形成確實遵循相似的軌跡,在激活的基因和細(xì)胞類型方面存在一些差異。

該研究已發(fā)表在自然界.

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