莱斯大学的科学家发现信号通路用于促使细胞分化的方法之间存在显着差异 - 即，是否成为器官，骨骼，血管，神经或皮肤。
水稻生物科学家Aryeh Warmflash和校友Idse Heemskerk带领一个团队发现干细胞不仅对构成生物体模式的“指令”的信号敏感，而且对这些信号的传递速度有敏感性。该实验室开始研究信号分子的数量是否是指导细胞成为什么的主要线索。
对于他们研究的高度相关的途径之一，答案显然是“不” - 而且，令人惊讶的是，对另一个人来说，“是”。eLife中的开放获取论文详细介绍了早期哺乳动物胚胎实验模型中两种信号通路Nodal和BMP4的活性。
当胚胎的身体计划被创建时，这两种途径都是称为原肠胚形成的过程的组成部分。BMP4触发过程并定义胚胎的“腹侧”或腹侧，皮肤将形成。另一方面，BMP低，神经系统发育。当细胞暴露于BMP时，只要其触发配体存在，它就会维持变化。
相反，导致细胞变成肌肉，心脏和其他器官的Nodal途径受其靶细胞如何感知和适应环境变化的控制，尤其是其配体水平的变化。研究人员总结了这些称为形态发生素的配体之间的相互作用，细胞比以前认为的更具动态性，而不仅仅依赖于配体浓度。
莱斯实验室采用独特的实验系统，模拟密闭空间中的生长，使人类胚胎干细胞分裂和分化，但其形状与胚胎相似。它允许研究人员用一种蛋白质扰乱一个群体，这些蛋白质触发特定的途径，看看它们如何与分化细胞相互作用。“对于我们今天看到的TGFb途径，WNT的真实情况更是如此，”生物科学助理教授Warmflash说。“对于WNT，我们强调了如何根据上下文以不同方式部署相同的路径。本文重点介绍了几乎在相同环境中并行运行的不同路径如何得到不同的使用。”
在原肠胚形成期间，Nodal和BMP4由它们的匹配配体触发。在这个过程中，两者都可以获得一种称为Smad4的蛋白质，该蛋白质在激活时会进入细胞核，并且可以用绿色荧光蛋白(GFP)标记。这使他们能够监控通路的活动。
“这些多能细胞决定不同的胚层 - 外胚层，继而成为神经系统和皮肤;中胚层，形成骨骼，血液和肌肉，内胚层，形成消化道和其他器官，”Warmflash说过。“在三天之内，细胞在进行形态发生的同时做出这些决定，这使得所有这些层都处于正确的位置。”
研究人员曾经认为胚胎的一个区域有高信号而另一个区域确定低信号，但赖斯实验室的实验表明不然。“我们不认为细胞感觉高而不是低，”Warmflash说。“他们正在感知由配体的存在引发的通路是否正在快速开启而不是开启缓慢。”Nodal途径最有趣。“基本上，它总是短暂的，”Warmflash说。“在幼稚的图片中，你可能会认为这条路是一个开关。但是为什么开关打开时信号会关闭?嗯，这就是它的作用。
“这很重要，因为它意味着当细胞中的水平发生变化时，细胞会感觉到。它们不会感觉到，'它就在这里，我打开了'。”他们感觉到，“好吧，它正在改变，所以我打开了。”这使他们对动力学敏感。“在实验中，细胞产生了它们自己的Nodal配体，作为重建早期胚胎样模式的一部分。Warmflash说，研究人员看到一波Nodal信号以每小时一个细胞宽度的速度扫过菌落。“在波浪出现之后，当我们看到决定细胞命运的分化标记时，”他说。
研究人员通过将菌落暴露于配体一小时脉冲并在三个循环中将其移除六小时，获得了对分化的控制措施。“我们展示了这三个小时的暴露时间，正确定时，驱动细胞分化的时间超过20小时，”Warmflash说。“我们认为，通过了解动力学，我们将有办法将细胞推向特定的命运，并了解这些途径如何在细胞在发育过程中形成模式时发挥作用。”