不同的生化反應(yīng)速度導(dǎo)致物種特異性的分節(jié)時(shí)鐘周期

在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自日本理化學(xué)研究所、京都大學(xué)、西班牙歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室和龐培法布拉大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn) “分節(jié)時(shí)鐘（segmentation clock）”---一個(gè)控制胚胎體型形成的基因網(wǎng)絡(luò)---在人類(lèi)中的進(jìn)展速度比在小鼠中更慢，原因在于人類(lèi)細(xì)胞中的生化反應(yīng)更慢。生化反應(yīng)速度的差異可能是物種間發(fā)育節(jié)奏差異的基礎(chǔ)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2020年9月18日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Species-specific segmentation clock periods are due to differential biochemical reaction speeds”。

在脊椎動(dòng)物發(fā)育的早期階段，胚胎發(fā)育成一系列的“分節(jié)（segment）”，最終分化成不同類(lèi)型的組織，比如肌肉或肋骨。眾所周知，這個(gè)過(guò)程是由一個(gè)振蕩的生化過(guò)程（即所謂的分節(jié)時(shí)鐘）控制的，分節(jié)時(shí)鐘在不同的物種之間是不同的。例如，小鼠的分節(jié)時(shí)鐘約為2小時(shí)，人類(lèi)約為5小時(shí)。然而，為什么這個(gè)分節(jié)時(shí)鐘周期的長(zhǎng)度在不同物種之間會(huì)有所不同，一直是個(gè)謎。

為了解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)，這些作者開(kāi)始使用小鼠胚胎干細(xì)胞和誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（ips）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中，他們將它們轉(zhuǎn)化為節(jié)前中胚層細(xì)胞（presomitic mesoderm cell, PSM），即參與分節(jié)時(shí)鐘的細(xì)胞。

他們首先研究細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)中是否發(fā)生了一些不同的事情，或者細(xì)胞內(nèi)的過(guò)程是否存在差異。通過(guò)阻斷重要信號(hào)或?qū)⒓?xì)胞隔離的實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)后者是正確的。

在了解到細(xì)胞內(nèi)的過(guò)程是關(guān)鍵的情況下，他們猜測(cè)差異可能在主基因HES7內(nèi)，它通過(guò)抑制它自己的啟動(dòng)子來(lái)控制這個(gè)過(guò)程，并做了很多復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)：他們?cè)谌思?xì)胞和小鼠細(xì)胞之間交換了基因，但這并沒(méi)有改變它們的分節(jié)時(shí)鐘周期。

根據(jù)論文通訊作者M(jìn)iki Ebisuya的說(shuō)法，“未能顯示出基因上的差異，讓我們有可能認(rèn)為這種差異是由細(xì)胞內(nèi)不同的生化反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的。”

他們研究了HES7蛋白的降解率等因素是否存在差異，畢竟HES7蛋白是分節(jié)時(shí)鐘周期中的一個(gè)重要因素。他們觀察了包括小鼠和人類(lèi)蛋白降解速度在內(nèi)的一系列過(guò)程，證實(shí)了這一假設(shè)：兩種蛋白在人類(lèi)細(xì)胞中的降解速度都比小鼠細(xì)胞慢。此外，HES7轉(zhuǎn)錄和翻譯成蛋白所需的時(shí)間，以及HES7內(nèi)含子被剪接所需的時(shí)間也存在差異。Ebisuya說(shuō)，“因此，我們證實(shí)人類(lèi)和小鼠細(xì)胞中的細(xì)胞環(huán)境確實(shí)是導(dǎo)致生化反應(yīng)速度不同從而導(dǎo)致時(shí)間尺度不同的關(guān)鍵。”

她繼續(xù)說(shuō)，“據(jù)此，我們提出了一個(gè)我們稱(chēng)之為發(fā)育異時(shí)性（developmental allochrony）的概念，這項(xiàng)新的研究將幫助我們理解脊椎動(dòng)物發(fā)育的復(fù)雜過(guò)程。至今仍未解開(kāi)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，究竟是什么導(dǎo)致了人類(lèi)細(xì)胞和小鼠細(xì)胞在反應(yīng)時(shí)間上的差異，我們計(jì)劃開(kāi)展進(jìn)一步的研究來(lái)闡明這一點(diǎn)。”