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為什麼人類的發育比小鼠慢? 兩次“科學”發現意外原因



所有哺乳動物都遵循相似的胚胎髮育過程:它們將以相同的順序經歷相同的胚胎髮育事件,並且將使用幾乎相同的遺傳和分子信號。 但是,不同的哺乳動物具有不同的胚胎髮育過程。 人類必須“在十月懷孕”,但是老鼠只需要不到一個月的時間。 為什麼是這樣?

在今天在線出版的最新一期《科學》中,有兩篇論文回答了這個問題。 科學家找到的答案使我們對胚胎髮育有了新的認識。

第一項研究來自英國的弗朗西斯·克里克研究所。 科學家專注於運動神經元的發育,並指出這種神經元僅在3-4天即可在小鼠中形成,而在人類中則需要約2週的時間。 為了找到背後的原因,研究人員將小鼠和人類的干細胞用作研究對象。

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在實驗室培養中,他們還觀察到這些幹細胞以不同的速度分化為運動神經元。 人類細胞需要更長的時間,大約是小鼠的兩倍。 該結果表明,發育速度的關鍵更有可能來自細胞內部,而不是來自外部環境的信號。

那麼,是因為小鼠和人類的基因不同,導致發育速度加快了嗎? 研究人員將人類基因片段引入小鼠細胞,並沒有減慢小鼠的發育。 該結果還表明,發育速度不取決於關鍵基因序列或其調控元件。

本研究圖

本研究圖

有趣的是,後續研究發現人和小鼠細胞中蛋白質的降解速率存在顯著差異。 在正常細胞中,蛋白質將繼續降解,產生的氨基酸將被循環利用以合成新蛋白質。 在小鼠細胞中,蛋白質的降解速度是人類細胞的兩倍。 仿真結果表明,這足以解釋兩者開發速度的差異。

“在胚胎髮育的過程中,人類和小鼠的運動神經元使用相同的基因和分子,但是在人類中,這一過程將花費更長的時間。人類胚胎中的蛋白質比小鼠中的蛋白質更穩定,因此它減慢了速度。人類的節奏發展。” 這項研究的第一作者特雷莎·雷恩(Teresa Rayon)博士說,就像兩個樂隊的得分相同,但是他們的節奏不同。

不幸的是,我們目前尚不知道什麼會影響這些細胞中蛋白質的體內平衡。 這也是科學家今後研究的方向。

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在第二項研究中,日本物理化學研究所生命科學研究中心的一個研究小組還比較了小鼠和人類的胚胎髮育速度,以找出其背後的原因。 他們還利用小鼠和人類的干細胞來誘導它們分化為其他細胞類型。 通過抑制外部信號或隔離細胞的生長,研究人員證實了生長速率的關鍵不在細胞外部,而是在細胞內部。

一開始,他們專注於HES7關鍵調控基因。 但是同樣,他們交換了人類和小鼠細胞中的相應基因,但是沒有觀察到發育週期的變化。

“尚未觀察到基因帶來的變化,讓我們考慮不同細胞內生化反應的可能性。” 這項研究的通訊作者三木惠比壽亞教授說。 因此,他們開始觀察兩種細胞中HES7蛋白的降解率和表達是否不同。 隨後的研究證實了他們的假設-無論是小鼠HES7蛋白還是人HES7蛋白,在人細胞中的降解速度都較慢。 此外,HES7基因轉錄和翻譯成蛋白質的過程,以及HES7RNA剪接的速度也有所不同。

在開發過程中,

在開發過程中,“慢度”有時會有其價值(圖片來源:Pexels提供的Pixabay圖片)

研究人員指出,這些結果表明,人和小鼠細胞中的環境是決定生化反應速度的關鍵因素,並且還會導致發育速度的差異。

《科學》雜誌對這兩篇論文的評論指出,生化反應的總體速率在決定發育速率方面起著重要作用。 這些發現也使我們對開發過程有了新的認識。