不同物种间的胚胎发育过程相对保守,但发育速率却存在较大差异,与物种的寿命、体型和其他生活史特征有关。在哺乳动物中,体型较大的物种,如人类,发育速率通常较慢,寿命更长,虽然早期小鼠胚胎和人类胚胎发育步骤相同,总体积相似,但人类胚胎的发育速率要比小鼠胚胎慢2-3倍。长期以来,人们一直认为生化反应速率的差异,包括蛋白质产生和降解的速度,是导致物种特异性发育速率差异的原因之一。但是造成不同物种之间生化反应速率差异的原因尚不清楚。
2023年1月份哈佛医学院研究团队在《Nature》主刊发表题为“Metabolic regulation of species-specific developmental rates”的文章,对物种发育速率的代谢调节进行研究。研究人员利用多能干细胞(PSC),建立了一套体外系统,重构了小鼠和人类胚胎之间两倍的发育速率差异,并发现在小鼠细胞中,代谢速率更快,同等质量下,代谢速率与发育速率成正比,通过抑制电子传递链来降低代谢速率可以破坏细胞内NAD+/NADH氧化还原平衡,降低总蛋白合成速率,从而降低发育速率;而过表达乳酸杆菌NADH氧化酶lbNOX可以提高翻译速率,加快发育速率。
分节时钟是一种在节前中胚层(PSM)细胞中运行的分子振荡器,在脊椎动物胚胎中控制体节形成的周期。研究团队利用多能干细胞(PSC)衍生的胚胎体节段(PSM)细胞建立小鼠和人类体节时钟的模型。他们开发了一套方法,在相同条件下诱导小鼠和人类PSC分化为PSM,他们发现小鼠细胞1-2天可以完成分化,而人类细胞则需要2-3天才能完成分化,小鼠PSM细胞周期的持续时间更短,分节时钟震荡也更频繁,说明小鼠和人类PSM细胞体外分化的发育速率差异大约是2倍(图1)。
Figure 1. Cell-autonomous differences in developmental rate between differentiating mouse and human PSM cells
图1. 分化小鼠和人PSM细胞发育速率的细胞自主差异
研究发现,人类PSM细胞的体积和重量大约是小鼠PSM细胞的两倍(图2) 。通过将代谢速率与细胞的体积或质量进行归一化,发现小鼠细胞质量特定的氧耗率和酸化率(ECAR)是人类细胞的两倍。此外,小鼠细胞的葡萄糖消耗和乳酸分泌速率也显著高于人类细胞,小鼠细胞的呼吸速率更高,线粒体膜电势更低,因此,细胞大小和代谢物质的差异可能是影响蛋白质合成速率的因素。具体来说,小鼠细胞的代谢速率更高,可能导致蛋白质合成速率增加。
图2. 与人类PSM细胞相比,小鼠PSM细胞的质量特异性代谢率升高
a. 用coulter计数器测量MSGN1-Venus+ PSM来源的小鼠和人PSM细胞的体积
综上,本研究部分解释了小鼠和人类早期胚胎阶段的发育速率差异,这种种间发育速率的差异可追溯到遗传原因,未来的研究有望实现从外部调控发育速率,在人类干细胞治疗和体外疾病建模中具有重要应用。
文章中研究者采用美国Orflo Technologies公司的Moxi GO II快速流式细胞仪,多次对人类和小鼠的PSM细胞进行精确的体积测量(图3),及将代谢速率与细胞的体积或质量进行归一化处理。
图3. 细胞体积测量方法:库尔特原理的Moxi Go II快速流式细胞仪进行细胞大小测量
美国Orflo Technologies公司将行业公认的细胞计数金标准——库尔特原理(Coulter Principle),与荧光流式检测技术相结合,推出的新一代快速流式细胞仪——Moxi GO II,提供超准确的细胞计数、细胞活率检测,以及超高分辨率的细胞粒径测量。库尔特原理对颗粒个体进行逐个三维测量,不但能准确测量颗粒的粒径分布,更能进行粒子绝对数目和浓度的测量。由于检测时不受激光衍射、散射因样本颜色或浓度变化的影响,库尔特原理所测粒径大小更接近真实。
Moxi GO II
Moxi GO II快速流式细胞仪,采用库尔特原理进行细胞计数和粒径测量,同时采用488nm激光光源,结合两个PMT通道,525/45nm通道和561nm/LP(或者646nm/LP,可根据需要更换),进行细胞活率、细胞凋亡、转染效率、活性氧簇、线粒体膜电位等常规流式检测。仪器设计小巧轻便,无需预热,开机即用,预设程序,触屏操控,运行后10秒即可给出测试结果,使用后也无需清洁维护。无论是经验丰富的流式专家,还是初试身手的实验小白,Moxi Go II都可以助您轻松完成实验。
美国Orflo Technologies公司是一家非常专业的细胞分析仪器研发和制造企业,拥有多项专利技术,产品以库尔特原理的高精细胞计数仪和超快流式细胞仪为主。
环亚生物,生命科学产品全国性代理商,不断把国外顶级的创新产品引入中国。环亚生物具备完善的公司运营、产品管理、营销、售前技术支持和售后维修体系。作为Orflo Technologies中国地区独家代理,环亚生物科技有限公司全权负责Orflo Technologies产品在中国地区的推广、销售,为广大用户提供专业的技术咨询和产品服务。
文献全文网页链接:
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05574-4
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