科学家揭示斑马鱼如何修复受损的心脏

科学家揭示斑马鱼如何修复受损的心脏当一个人心脏病发作而没有得到及时治疗时，心肌细胞会因缺氧受损并开始死亡。疤痕组织生长，由于我们不能制造新的心肌细胞，心脏就不能像它应该的那样有效地泵送。然而，对于像斑马鱼这样的低等脊椎动物来说，情况却完全不同：它们可以再生器官，包括其心脏。柏林医学系统生物学研究所（BIMSB）定量发育生物学实验室负责人JanPhilippJunker教授说：“我们想找出这种小鱼是如何做到的，以及我们是否可以从中学习。”研究人员在DanielaPanáková博士的帮助下，在斑马鱼的心脏中模拟了心肌梗塞的伤害，DanielaPanáková博士是MDC发育和疾病中电化学信号实验室的负责人。他们利用单细胞分析和细胞谱系树监测心肌细胞的再生情况。他们的研究结果最近发表在《自然-遗传学》上。研究人员将斑马鱼一毫米大小的心脏暴露在一根冷针下几秒钟，同时在显微镜下观察它。针接触到的任何组织都会死亡。与那些心脏病发作的人相似，这导致了炎症反应，随后是成纤维细胞产生的瘢痕。“令人惊讶的是，对伤害的直接反应非常相似。但是，虽然人类的过程在这一点上停止了，但它在鱼体内继续进行。它们形成新的心肌细胞，这些心肌细胞能够收缩，”Junker说。他继续说：“我们想确定来自其他细胞的信号，并帮助驱动再生。”Junker的团队使用单细胞基因组学来搜索受伤的心脏，寻找健康斑马鱼心脏中不存在的细胞。研究人员发现了三种瞬间被激活的新成纤维细胞类型。尽管与其他成纤维细胞有着相同的外观，但这些被激活的细胞有能力读取各种额外的基因，这些基因参与了蛋白质的形成，如胶原蛋白12等结缔组织因子。在人类中，纤维化，也被称为瘢痕，被认为是心脏再生的障碍。然而，一旦被激活，成纤维细胞似乎是该过程的关键。当Panáková使用基因技巧关闭斑马鱼中表达胶原蛋白12的成纤维细胞时，它们的重要性就变得很明显了。结果是：没有再生。Junker认为，成纤维细胞负责发出修复信号是有道理的。他说：“毕竟，它们就在受伤的地方形成。”为了确定这些被激活的成纤维细胞的来源，Junker的团队使用一种名为LINNAEUS的技术制作了细胞系树，他的实验室在2018年开发了这种技术。LINNAEUS与遗传疤痕一起工作，这些疤痕共同作用于每个细胞的来源，就像一个条形码。“我们使用CRISPR-Cas9基因剪刀创造这个条形码。如果在受伤后，两个细胞有相同的条形码序列，这意味着它们是相关的，”Junker解释说。研究人员确定了两个暂时激活的成纤维细胞来源：心脏外层（心外膜）和内层（心内膜）。产生胶原蛋白12的细胞只在心外膜被发现。多名MDC研究人员在整个研究过程中进行了合作--从鱼的实验，到遗传分析，再到结果的生物信息学解释。SaraLelek说：“对我来说，最激动人心的事情是看到我们的学科如何相互补充，以及我们如何在活体动物上验证生物信息学的结果，”她是该研究的主要作者，负责动物试验。“这是一个大项目，让我们都能贡献自己的专业知识。我...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1313317.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1313317.htm

哈佛大学的科学家们揭示了乌贼和章鱼如何发展出它们聪明的大脑袋

哈佛大学的科学家们揭示了乌贼和章鱼如何发展出它们聪明的大脑袋这不是什么秘密，是什么让它成为可能。头足类动物，包括章鱼、乌贼和墨鱼拥有所有无脊椎动物中最复杂的大脑。然而，它们如何开发这些大型大脑的过程一直是个谜。哈佛大学一个研究这些生物的视觉系统的实验室认为，他们在理解这一过程方面取得了重大进展，因为这些生物的大部分中央处理组织都集中在视觉系统。他们说，这个过程看起来令人惊讶地熟悉。来自FAS系统生物学中心的研究人员描述了他们如何使用一种新的活体成像技术，几乎实时地观察神经元在胚胎中的形成。然后他们能够通过视网膜的神经系统的发展来追踪这些细胞。他们看到的情况让他们感到惊讶。这是本文中产生的实时成像数据的一个例子。眼睛中的细胞膜被标记为荧光染料，使我们能够看到发育过程中的单个细胞行为。资料来源：KristenKoenig他们追踪的神经干细胞的行为与脊椎动物在神经系统发育过程中这些细胞的行为方式极为相似。这表明，尽管脊椎动物和头足类动物在5亿年前就相互分化，但它们不仅在使用类似的机制来制造它们的大大脑，而且这一过程以及细胞的行为、分裂和形状的方式可能基本上布局了开发这种神经系统所需的蓝图。"我们的结论令人惊讶，因为我们对脊椎动物神经系统发育的许多了解长期以来一直被认为是该系的特殊情况，"约翰-哈佛大学杰出研究员和该研究的高级作者克里斯汀-科尼格说。"通过观察这个过程非常相似的事实，它向我们建议的是，这两个独立进化的非常大的神经系统正在使用相同的机制来构建它们。这表明的是，动物在发育过程中使用的那些机制--那些工具--可能对构建大的神经系统很重要。"来自科尼格实验室的科学家们集中研究了一种叫做Doryteuthispealeii的乌贼的视网膜，更简单地说就是一种长鳍乌贼。这种鱿鱼长到大约一英尺长，在西北大西洋中非常多。作为胚胎，它们看起来相当可爱，有着圆圆的大脑袋和大眼睛。研究人员使用了与研究模式生物（如果蝇和斑马鱼）所流行的类似技术。他们创造了特殊的工具，并使用尖端的显微镜，可以每十分钟拍摄一次高分辨率的图像，连续拍摄数小时，以观察单个细胞的行为。研究人员使用荧光染料来标记细胞，以便他们能够绘制和跟踪它们。这种活体成像技术使研究小组能够观察被称为神经祖细胞的干细胞以及它们是如何组织的。这些细胞形成了一种特殊的结构，称为假上皮细胞。它的主要特征是细胞被拉长，所以它们可以密集地排列。研究人员还看到这些结构的细胞核在分裂前后都会上下移动。他们说，这种运动对于保持组织的有序性和生长的持续很重要。这种类型的结构在脊椎动物物种如何发展其大脑和眼睛方面是普遍的。在历史上，它被认为是脊椎动物的神经系统能够增长得如此巨大和复杂的原因之一。科学家们已经在其他动物中观察到这种类型的神经上皮的例子，但是他们在这个例子中观察的乌贼组织在其大小、组织和细胞核的移动方式上与脊椎动物的组织异常相似。这项研究由科尼格实验室的研究助理FrancescaR.Napoli和ChristinaM.Daly领导。接下来，该实验室计划研究头足类动物大脑中不同的细胞类型是如何出现的。科尼格想确定它们是否在不同的时间表达，它们如何决定成为一种类型的神经元而不是另一种，以及这种行动在不同的物种中是否相似。科尼格对摆在面前的潜在发现感到兴奋，他说："这类工作的一个重要启示是，研究生命的多样性是多么有价值。通过研究这种多样性，你实际上可以真正回到关于甚至我们自己的发展和我们自己的生物医学相关问题的基本想法。你可以真正谈论这些问题。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1337677.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1337677.htm

一个生物学奇迹：哈佛大学研究人员发现成年多能干细胞的胚胎起源

一个生物学奇迹：哈佛大学研究人员发现成年多能干细胞的胚胎起源尽管这些成体多能干细胞（aPSCs）存在于各种动物物种中，如海绵、水螅、平面扁虫、阿库尔蠕虫和一些海鞘，但它们如何产生的机制在任何物种中仍然是未知的。在发表在《细胞》杂志上的一项新研究中，哈佛大学有机和进化生物学系的研究人员已经确定了无尾熊虫（Hofsteniamiamia）形成APSCs的细胞机制和分子轨迹。图片显示胚胎的单个细胞是如何为这项研究专门和系统地转化为红色的。资料来源：JulianKimuraH.miamia，也被称为三带豹形虫，是一个可以使用被称为"新细胞"的APSCs完全再生的物种。将H.miamia切成碎片，每一块都会长出一个新的身体，包括从嘴巴到大脑的一切。高级作者MansiSrivastava教授多年前在野外收集了H.miamia，因为它具有再生能力。一旦回到实验室，H.miamia开始产生许多个体，可以很容易地进行研究。在Srivastava和合著者博士后研究员LorenzoRicci之前的一项研究中开发了一个H.miamia的转基因协议。转基因是一个将通常不属于生物体基因组的东西引入该基因组的过程。这种方法使主要作者JulianO.Kimura（22岁的博士）能够继续他的问题，即这些干细胞是如何产生的。研究人员发现，在能够再生的动物中，一个共同的特点是在成年体内存在多能干细胞，这些细胞负责在动物受伤时重新制造缺失的身体部位。通过了解像H.miamia这样的动物如何制造这些干细胞，可以更好地了解是什么让某些动物具有再生能力。一对细胞在16细胞阶段的胚胎转化为红色。随着时间的推移，细胞分裂出更多的细胞，进入胚胎内部，并形成孵化后的蠕虫的干细胞。资料来源：JulianKimura成年动物中的这些干细胞群有一些统一的特征，如表达一种叫做Piwi的基因。但到目前为止，还没有人能够弄清楚这些干细胞首先是如何产生的。"它们大多是在成年动物的背景下被研究的，"Srivastava说，"在一些物种中，我们知道一点它们可能是如何工作的，但我们不知道它们是如何制造的。"研究人员知道蠕虫幼体含有APSCs，因此推断它们一定是在胚胎发育过程中产生的。Ricci使用转基因技术创造了一个品系，由于将蛋白质Kaede引入细胞，使胚胎细胞发出荧光绿光。Kaede是可光转化的，这意味着用非常特定波长的激光束照射绿色会将其转化为红色,然后可以用激光照射细胞，将胚胎的个别绿色细胞变成红色。利用转基因动物的光转换是我们在实验室里设计的一个非常新的转折，以弄清胚胎细胞的命运。应用这种方法，研究人员通过让胚胎生长和观察所发生的事情来进行血统追踪。8细胞阶段的胚胎的一个单细胞转化为红色。随着时间的推移，该细胞分裂出更多的细胞，这些细胞最终构成了孵化出的虫子的大部分皮肤。资料来源:JulianKimuraKimura跟踪了胚胎的发展，因为它从一个细胞分裂到多个细胞。这些细胞的早期分裂以定型裂解为标志，这意味着胚胎到胚胎的细胞以完全相同的模式分裂，这样就可以对细胞进行一致的命名和研究。这提出了一种可能性，即也许每一个细胞都有一个独特的目的。例如，在八细胞阶段，有可能顶部、左角的细胞制造某种组织，而底部、右边的细胞则制造另一种组织。为了确定每个细胞的功能，木村系统地对早期胚胎的每个细胞进行了光电转换，在八细胞阶段创建了一个完整的命运图。然后，当蠕虫成长为仍然带有红色标签的成年时，他跟踪了这些细胞。在许多胚胎中反复跟踪每个细胞的过程使木村有可能追踪每个细胞的工作位置。在16个细胞阶段的胚胎中，他发现了一对非常特殊的细胞，这些细胞产生了看起来是新细胞的细胞。虽然这一发现很令人兴奋，但仍有一种可能性，即新细胞来自早期胚胎的多个来源，而不仅仅是在16个细胞阶段发现的两对。发现在外观上类似于新细胞的细胞并不能确定它们真的是新细胞，需要证明它们的行为也像新细胞。为了确定这一点，Kimura将这组特殊的细胞（在H.miamia中称为3a/3b）进行试验。为了成为新细胞，这些细胞必须满足干细胞的所有已知特性。这些细胞的后代在再生过程中是否在制造新组织？研究人员的新发现确认了这一事实，只有这些细胞的后代在再生期间制造新组织。另一个决定性的属性是干细胞的基因表达水平，它们必须有数百个基因表达。为了确定3a/3b是否符合这一特性，Kimura将3a/3b发红光的后代和所有其他细胞发绿光的后代，用一台分拣机将红绿细胞分开。然后他应用单细胞测序技术来询问，哪些基因在红细胞和绿细胞中被表达。该数据证实，在分子水平上，只有3a/3b细胞的后代与干细胞匹配，而不是任何其他细胞的后代。因此，研究人员可以明确确认，在他们的系统中找到了干细胞群的细胞来源。但是，重要的是，知道了干细胞的细胞来源后，就有办法在细胞成熟时捕捉它们，并确定哪些基因参与了制造它们。木村在单细胞水平上生成了一个巨大的胚胎发育数据集，详细说明了从发育开始到结束，哪些基因在胚胎的所有细胞中被表达。他允许转换后的3a/3b细胞进一步发展，但不是一直发展到孵化阶段。然后他使用分选技术捕获这些细胞。通过这样做，木村可以清楚地定义哪些基因在制造干细胞的细胞系中被特别表达。研究人员计划继续深入挖掘这些基因在Hofsteniamiamia的干细胞中是如何工作的机制，这将有助于告诉人们自然界是如何进化出一种制造和维持多能干细胞的方式。了解APSCs的分子调节器将使研究人员能够跨物种比较这些机制，揭示多能干细胞是如何在动物间进化的。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1339849.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1339849.htm

研究人员创造具有自身血管系统的微小器官 推动了对心脏病的研究

研究人员创造具有自身血管系统的微小器官推动了对心脏病的研究CVDs包括任何影响心脏或血液循环的疾病，如心脏病发作和冠状动脉疾病、高血压、中风和血管性痴呆。鉴于心血管疾病的普遍性，继续研究发现预防、诊断和治疗这组疾病的新方法非常重要。澳大利亚研究人员通过创造一个微小的心脏器官，为加速心脏病领域的研究做出了贡献。器官体是模仿人类器官的微小结构。它们在实验室中生长，使用人类多能干细胞，这些细胞可以通过"重新编程"的皮肤或血液细胞产生。该研究的通讯作者詹姆斯-哈德森说："每个类器官只有奇亚籽那么大，直径只有1.5毫米[0.06英寸]，但里面有5万个细胞，代表构成心脏的不同细胞类型。"在这里，研究人员创造了一个微小的跳动的类器官，这不是什么新鲜事。但是，他们第一次能够成功地纳入血管细胞，即排列血管的细胞，使模型心脏更接近于复制真实的器官。哈德森说："首次在我们的迷你心脏肌肉中加入血管细胞是非常有意义的，因为我们发现它们在组织的生物学中具有关键作用。血管细胞使组织体的功能更好，跳动更强烈。这开启了我们更好地了解心脏和准确模拟疾病的能力"。血管细胞的额外好处意味着研究人员可以调查它们如何影响炎症，而炎症会导致心脏僵化。在另一个首次中，研究人员发现了血管系统在炎症驱动的心肌损伤中发挥的关键作用。哈德森说："当我们刺激迷你心肌的炎症时，我们发现血管细胞起到了核心作用。我们只看到有血管细胞的组织出现了僵硬。这些细胞感觉到了正在发生的事情，并改变了它们的行为，我们发现这些细胞释放了一种叫做内皮素的因子，介导了僵化的发生。"研究人员说，这一发现，以及他们的新型心脏器官的使用，可能会带来对心脏疾病的新治疗方案，这是生产血管化心脏器官的新系统将给我们带来的优势，因为研究人员将能够更快地寻找新疗法。研究人员说，这项研究的发表将帮助全世界的研究人员创建他们自己的血管化类器官，促进全球解决心脏疾病的努力。此外，他们说他们的发现可用于创建肾脏和大脑类器官，加速对影响这些器官的疾病的研究。这项研究发表在《细胞报告》杂志上，下面这段来自QIMRBerghofer的视频展示了新型人类心脏器官的运作。https://www.youtube.com/watch?v=dvMLSrK1mLY詹姆斯-哈德森是该器官的创造者之一，也是目前研究的作者，他解释了该类器官是如何被创造出来的，以及它可能被如何使用。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357237.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357237.htm

德国培育出与人类胚胎心脏相似的“微型心脏” 直径0.5毫米

德国培育出与人类胚胎心脏相似的“微型心脏”直径0.5毫米据新华社报道，德国研究人员用干细胞培育出与人类早期胚胎心脏相似的“微型心脏”，可帮助深入理解心脏发育过程，寻找治疗心脏疾病的新方法。德国慕尼黑理工大学日前发布新闻公报说，该校团队培育的这种“微型心脏”直径仅0.5毫米，在电刺激下能像人类心脏腔室一样收缩。它是第一种同时包含心肌细胞和心外膜细胞的类器官，研究人员称其为“心外膜类器官”并进行了多项分析，相关论文分别发表于英国《自然·通讯》和《自然·生物技术》杂志上。据介绍，类器官是由干细胞通过分化和自组织形成的三维细胞结构，具有人体相应器官的部分特定功能和构造，对发育生物学研究、疾病建模、药物筛选等有重要价值。位于心脏外层的心外膜细胞在发育过程中起着决定性作用，它们能转化成多种类型的心脏细胞，对心脏腔室的形成也很重要。人类受精卵发育三个星期后，心脏开始形成，人们对这一阶段心脏发育的了解还很少。研究团队使用具有较强分化能力的人类多能干细胞，用离心机使约3.5万个细胞聚集成球，然后用调控胚胎发育的信号分子维甲酸刺激干细胞。通过控制维甲酸的剂量和添加时间，成功使细胞球发育出类似早期心脏的结构。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1353333.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1353333.htm

康奈尔大学的研究揭示了细胞如何防止有害的额外DNA复制

康奈尔大学的研究揭示了细胞如何防止有害的额外DNA复制人类和所有其他高等生物的细胞采用了一个复杂的检查点和许可蛋白系统，以保证其基因组在分裂前的准确复制。在准备细胞分裂时，许可蛋白与DNA中的特定位置结合，将它们标记为复制起源。按照目前的理解，细胞周期的DNA合成阶段只在这些指定的地点启动复制，而且只启动一次。不过，该模型缺少一个关键点。高级作者、威尔康奈尔医学院细胞和发育生物学约瑟夫-欣西教授托比亚斯-迈耶博士说："允许这种许可发生的同一因素只有在这些复制起源启动后才会被降解。原则上，细胞可以将这些许可机器加载到已经复制的DNA上，因此得到的不是两个副本，而是该段DNA的三个或四个副本，而这些细胞将有望失去基因组的完整性并死亡或变成癌症。"弄清楚细胞如何避免这种命运一直是很棘手的。第一作者NalinRatnayeke说："我们需要研究细胞周期的DNA合成阶段的最初几分钟的事件，所以这是一个非常短暂的时期，"他是一名研究生，在斯坦福大学和威尔康奈尔医学院Meyer博士的实验室从事这个项目。该实验室于2020年迁至威尔康奈尔医学院。为了解决这个困难的实验问题，Ratnayeke使用计算机辅助显微镜同时监测数以千计的生长细胞，捕捉正在复制的细胞并分析其许可和复制因子的活动。这项工作显示，一个著名的许可因子，CDT1，不仅许可一段DNA成为复制原点，而且还充当DNA复制的制动器，阻止一种叫做CMG螺旋酶的重要复制酶发挥作用。为了开始合成DNA，细胞的酶必须首先分解CDT1。Ratnayeke表示："之前认为的协调这种从细胞周期的许可阶段向细胞周期的发射阶段过渡的机制取决于抑制许可因子，而我们新发现的机制实际上是相反的......许可因子CDT1本身正在阻止DNA合成的进展。"为了证实他们的结果，科学家们与英国剑桥医学研究委员会的同事合作，他们发现抑制机制可以在一个简化的系统中重现，该系统在试管中用纯化的成分再现整个DNA合成过程。Meyer博士说："这使我们能够重组DNA合成的所有组件，并证明CMG螺旋酶被CDT1直接抑制。"他也是威尔康奈尔医学院的生物化学教授和桑德拉和爱德华-梅耶癌症中心的成员。因为复制许可的失败可以杀死细胞或使其发生癌变，该结果提供了对细胞健康和疾病的新理解。"Ratnayeke说："未来的工作是从机理上确定Cdt1的抑制是怎么回事，这将使人们更深入地了解CMG螺旋酶如何发挥作用的生物物理学，并将确定这一复合体的特定区域，可以使用药物作为目标。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1346467.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1346467.htm