20多年前，發育生物學家Olivier Pourquié的實驗室在雞胚中發現了一種細胞時鍾(cellular clock)，在那裏，細胞時鍾的每一次“滴答聲”都會促進一種稱為體節(somite)的結構形成，所產生的體節最終變成了脊椎骨(vertebra)。

        在隨後的幾年中，Pourquié和其他人利用小鼠細胞在實驗室培養皿中構建出這種所謂的分節時鍾(segmentation clock)的首批模型並開展其他實驗，進一步闡明了這種存在於許多有機體中的分節時鍾的運作機製。

        盡管這些研究工作提高了人們對脊柱正常和異常發育的了解，但是直到現在，還沒有人能夠證實這種分節時鍾是否存在於人類中。

        在一項新的研究中，Pourquié及其領導的研究團隊報道在經過數十年的努力之後，他們在實驗室培養皿中利用源自成年人類組織的幹細胞構建出這種分節時鍾的首批模型。這一成就不僅首個證據表明分節時鍾在人體中滴答作響，而且還給科學家們提供了首批體外模型來研究人類的早期脊椎發育。相關研究結果於2020年1月8日在線發表在Nature期刊上，論文標題為“In vitro characterization of the human segmentation clock”。

        Pourquié說，“我們對人體的體節發育幾乎一無所知，體節在受精後的第三周到第四周之間形成，這時大多數女性並不知道她們懷孕了。我們的模型應當是研究分節時鍾的基本規則的強大係統。”

        論文共同第一作者、Pourquié實驗室研究生Margarete Diaz-Cuadros說，“我們的創新性實驗模型如今允許我們並排比較小鼠和人類的發育。我對揭示人類發育的獨特之處感到興奮。”

        這些幹細胞模型為理解脊椎發育狀況(比如先天性脊柱側凸)以及與起源自近軸中胚層(paraxial mesoderm)的組織相關的疾病打開大門。這些組織包括全身的骨骼肌和棕色脂肪，以及軀幹和背部的骨骼、皮膚和血管內壁。

        Pourquié希望科學家們能夠使用這些新的幹細胞模型產生分化的組織細胞用於研究和臨床實踐，比如骨骼肌細胞用於研究肌營養不良症和棕色脂肪細胞用於研究2型糖尿病。

        盡管科學家們通過將成體細胞重編程為誘導性多能幹細胞(iPS細胞)，然後沿著特定的發育路徑誘使它們產生多種組織，但肌肉骨骼組織卻被證明是難處理的。然而，Pourquié及其同事們最終發現，當將獲得的iPS細胞浸入標準生長培養基中時，僅添加兩種化合物就可以促進它們形成肌肉骨骼組織。

        Pourquié說，“我們可以以大約90%的效率產生起源自近軸中胚層的組織。這是一個非常好的開始。”

        Pourquié團隊還利用胚胎幹細胞構建出一種類似的模型。

        Pourquié團隊吃驚地發現在小鼠和人類細胞培養皿中，這種分節時鍾開始滴答作響，並且這些細胞首先並不需要放置在與人體更接近的三維支架上。

        Pourqui說，“令人吃驚的是，它在二維模型中起作用。這是一種理想的模型。”

        Pourquié團隊發現這種分節時鍾在人類細胞中每5小時滴答一次，在小鼠細胞中每2.5小時滴答一次。他們表示，這種頻率上的差異與小鼠和人類在妊娠時間上的差異是一致的。

        Pourquie實驗室的下一個項目之一是研究是什麼控製著這種分節時鍾的可變速率，更雄心勃勃的是，是什麼調控著不同物種的胚胎發育時間。他說，“有許多非常有趣的問題需要解決。”