其他物种为啥比小鼠发育更慢?两篇《科学》找寻到到意想看不到的因为

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资料来源:学术经纬

所有哺乳动物都遵循一个相似的胚胎发育过程:它们会以相同的顺序经历相同的胚胎发育事件,甚至使用几乎相同的基因和分子信号。然而,不同的哺乳动物有不同的胚胎发育速度。人类想“十月怀胎”,老鼠只要不到一个月。这是为什么?

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今天上线的最新一期《科学》中,有两篇论文回答了这个问题。科学家找到的答案让我们对胚胎发育有了新的认识。

第一项研究来自英国的弗朗西斯克里克研究所。科学家专注于运动神经元的发育,指出这些神经元在小鼠体内形成只需要3-4天,而在人类体内大约需要2周。为了找出背后的原因,研究人员以小鼠和人类的干细胞为研究对象。

在实验室培养中,他们还观察到这些干细胞以不同的速度分化成运动神经元,人类细胞需要的时间更长,大约是小鼠的两倍。这一结果表明,发展速度的关键更有可能来自细胞内部,而不是来自外部环境的信号。

那么,是不是因为老鼠和人类的基因不同,导致发育过程缓慢呢?研究人员将人类基因片段引入小鼠细胞,这并没有减缓小鼠的发育。这一结果也表明发育速度不依赖于关键基因序列或其调控元件。

本研究的图示

有趣的是,后续研究发现,人和小鼠细胞的蛋白质降解率存在明显差异。在正常细胞中,蛋白质会不断被降解,产生的氨基酸会被循环利用来合成新的蛋白质。在小鼠细胞中,蛋白质降解的速度是人类细胞的两倍。仿真结果表明,这足以解释两者开发速度的差异。

“在胚胎发育过程中,人类和小鼠的运动神经元使用相同的基因和分子,但这一过程在人类中会持续更长时间。人类胚胎中的蛋白质比小鼠中的蛋白质更稳定,从而减缓了人类的发育速度。”这项研究的第一作者特蕾莎莱翁博士说。这就像两个乐队得到相同的分数,但他们根据不同的节拍演奏。

不幸的是,目前我们还不知道是什么影响了这些细胞中蛋白质的稳态。这也是科学家未来的研究方向。

在第二项研究中,日本物理化学研究所生命功能科学研究中心的团队还比较了小鼠和人类的胚胎发育速度,试图找出其背后的原因。他们还使用小鼠和人类的干细胞来诱导它们分化成其他细胞类型。通过抑制外部信号或隔离细胞生长,研究人员证实了发育速度的关键不在外部,而在细胞内部。

起初,他们专注于一种叫做HES7的关键调节基因。但也是,他们在人和小鼠细胞中交换了相应的基因,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,让我们考虑细胞内发生不同生化反应的可能性。”这项研究的通讯作者Miki Ebisuya教授说。因此,他们开始观察这两种细胞中HES7蛋白的降解速率和表达是否不同。随后的研究证实了他们的猜测,无论是小鼠HES7蛋白还是人HES7蛋白,——在人类细胞中降解更慢。此外,HES7基因转录翻译成蛋白质的过程和HES7的RNA剪接速度也不同。

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

研究人员指出,这些结果表明,人和小鼠的细胞内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差异。

《科学》杂志对这两篇论文进行了评论,指出全球生化反应速率对决定发展速度起着重要作用。这些发现也让我们对发展过程有了新的认识。

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