我們終于看到了人類手指和腳趾是如何生長(zhǎng)的

人類的手指和腳趾不會(huì)像你想象的那樣向外生長(zhǎng)。取而代之的是，我們靈巧的手指被“雕刻”在一個(gè)更大的基礎(chǔ)芽中。

現(xiàn)在第一個(gè)人類細(xì)胞圖譜早期肢體發(fā)育終于以精致的細(xì)節(jié)揭示了這是如何發(fā)生的。

在此之前，我們對(duì)脊椎動(dòng)物肢體發(fā)育的理解主要基于模式生物，如小鼠和雞胚胎，以及實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的干細(xì)胞.

雖然人類有一些相似之處對(duì)于其他脊椎動(dòng)物，它們的生物學(xué)顯然與我們不同。

早期肢體形成的細(xì)節(jié)也因技術(shù)限制而變得有些模糊，現(xiàn)在已經(jīng)超越了，并且限制使用人類胚胎進(jìn)行超過(guò)14天的研究，一條規(guī)則已經(jīng)放寬了在嚴(yán)格的道德規(guī)定下。

到目前為止，這幅畫有四肢初期興起作為從胚胎體側(cè)面突出的無(wú)形肢芽。八周后，如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，這些袋子已經(jīng)變成了解剖學(xué)上獨(dú)特的、可識(shí)別的四肢，包括手指和腳趾。

這是早期胚胎發(fā)育中一個(gè)非凡的過(guò)程，可以說(shuō)是我們最定義人體特征：我們長(zhǎng)而細(xì)長(zhǎng)的拇指.

2014年科學(xué)家描述在胚胎發(fā)育的精確時(shí)刻表達(dá)的特定分子如何塑造手指和腳趾的形成，盡管這些預(yù)測(cè)是基于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模擬。

現(xiàn)在，由中國(guó)中山大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)家張寶領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析來(lái)自捐贈(zèng)胚胎組織的數(shù)千個(gè)單細(xì)胞，對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行了精細(xì)的著色，這些單細(xì)胞的發(fā)育時(shí)間在5到9周之間。

“我們從125,955個(gè)捕獲的單個(gè)細(xì)胞中確定了67個(gè)不同的細(xì)胞簇，并將它們?cè)谒膫€(gè)孕早期時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行了空間映射，以揭示肢體發(fā)育的新視角，”該團(tuán)隊(duì)寫在他們發(fā)表的論文中。

“在這樣做的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)了幾種新的細(xì)胞狀態(tài)，”他們加.

“我們揭示的是一個(gè)高度復(fù)雜且受到精確監(jiān)管的過(guò)程，”說(shuō)Hongbo Zhang，資深作者，中國(guó)中山大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)家。

“這就像看著一個(gè)雕塑家在工作，鑿開一塊大理石，露出一件杰作。在這種情況下，大自然是雕塑家，其結(jié)果是我們的手指和腳趾的復(fù)雜性令人難以置信。

正如你在下面的視頻中看到的，研究人員繪制了基因表達(dá)模式，以了解這些遺傳指令如何塑造數(shù)字的形成方式。

從朦朧的開始，IRX1（在下面的視頻中以水綠色表示）的表達(dá)，一種對(duì)手指形成至關(guān)重要的基因，以及SOX9（在視頻中以洋紅色表示），一種對(duì)骨骼發(fā)育至關(guān)重要的基因，在發(fā)育中的肢體中以五個(gè)不同的長(zhǎng)度重疊。

在發(fā)育約 7 周時(shí)，程序性細(xì)胞死亡指令在聚集在這些長(zhǎng)度之間的未分化細(xì)胞中開啟（與 MSX1 的表達(dá)相關(guān)，在視頻中以黃色表示），并顯示輪廓分明的手指和腳趾。

就像一塊大理石被這些基因的表達(dá)雕刻成杰作一樣，我們的手指和腳趾從頭到腳被鑿出，因?yàn)椴恍枰募?xì)胞會(huì)消退。

此過(guò)程中的小違規(guī)行為可導(dǎo)致肢體畸形，其中每 500 人中就有 1 人與生俱來(lái) - 使它們成為出生時(shí)最常報(bào)告的綜合征之一。

研究人員還繪制了與先天性疾病相關(guān)的基因的表達(dá)圖譜，例如短手指（短指（brachydactyly）） 或蹼狀數(shù)字 （并指畸形），以更好地了解肢體發(fā)育偏離軌道的位置。

“我們第一次能夠捕捉到肢體發(fā)育的非凡過(guò)程，直至空間和時(shí)間上的單細(xì)胞分辨率，”說(shuō)莎拉·泰希曼（Sarah Teichmann），惠康桑格研究所（Wellcome Sanger Institute）的資深作者和計(jì)算生物學(xué)家。

她說(shuō)，創(chuàng)建單細(xì)胞圖譜“加深了我們對(duì)解剖學(xué)復(fù)雜結(jié)構(gòu)如何形成的理解，幫助我們揭示人類健康發(fā)育背后的遺傳和細(xì)胞過(guò)程，對(duì)研究和醫(yī)療保健具有許多意義。

重要的是，研究人員還表明，人類和小鼠的肢體形成確實(shí)遵循相似的軌跡，在激活的基因和細(xì)胞類型方面存在一些差異。

該研究已發(fā)表在自然界.

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