Et viktig skritt i utviklingen av vertebrate embryo - etableringen av en tilbake morphs til en hjerne og ryggmarg muskler - viser seg for å være så viktig som kroppen bruker minst tre signaler til å sørge for at det skjer riktig.
Oppdagelsen, rapportert denne måneden i journalen utviklingsmessige celle av forskere ved University of California, Berkeley, til slutt forklarer en 80-årige observasjon som revolusjonerte måten biologists tror om embryonalutvikling og fosterutvikling og satte scenen for stamcelle-debatten.
At 1924 observasjon i newts av Hans Spemann og Hilde Mangold tjente Spemann Nobelprisen i 1935 og generert oppfatningen at embryonic celler ikke vet hva de vil bli før de får riktig signalet. Dette konseptet er i roten av dagens spenning over embryonic stilk celler, som er utgangspunktet naivt celler som teoretisk sett kan stimulere for å bli alle vev av kroppen.
Proteiner som vanligvis brukes til embryo har faktisk nylig blitt tatt i bruk i embryonic stilk cellen arbeid. Noggin, en av proteiner isolert ved forskergruppe UC Berkeley, har vært brukt i kulturer for å opprettholde vekst av neural stilk celler.
De nye UC Berkeley eksperimentene viser på frosker, at noen trinn i tidlig embryonalutvikling er så kritiske at mange overlappende signaler er nødvendig for å sikre at cellene gå ned rett vei. Dannelse av ryggen og magen er en milepæl for frosker så vel som for mennesker og andre vertebrates, forekommer som det gjør i begynnelsen av prosessen med Gastrulasjon, som ser foran og bak, hode og hale, venstre og høyre etablert og den første visningen av en gjenkjennelig kroppen har tenkt. Hvis dette trinnet mislykkes, dør embryo til slutt.
"Gastrulasjon og prosessen med å definere tilbake-magen-aksen er et viktig skritt at du faktisk har flere proteiner blir uttrykt der, bare i tilfelle en av dem mislykkes, de andre kan kompensere," sa bly forfatter Mustafa Khokha (uttales KO' ka), en doktordispustas fellow ved UC Berkeley og en behandlende lege i pediatric kritisk vedlikehold på UC San Francisco. "Redundans er utformet for å gjøre embryo robust, slik som å unngå fødselsskader."
De tre proteiner som er identifisert i lagets rapporten er blant minst fem blokkerer andre signaler å tillate tilbake, eller scapularis, strukturer til skjemaet. Tretten år siden, viste Richard Harland, professor og leder av avdeling for Molecular og cellebiologi ved UC Berkeley, at sprøytebruk ett av disse faktorene, noggin, inn i magen på en embryo forårsaket omkringliggende vev å utvikle i strukturer som vanligvis finnes på baksiden. Til tross for gjentatte forsøk, men kunne ingen viser at blokkerende signaler som noggin gjorde motsatt. Faktisk, syntes blokkerer noggin og andre kjente faktorene å ha relativt liten effekt på embryo, heve tvil om naturlig rollen til disse proteiner i tidlig utvikling.
Nå bruker meget ung embryo på laboratoriet frosken Xenopus tropicalis, Khokha, Harland og kollegers UC Berkeley kunne blokkere tre av de fem faktorene samtidig, og denne gangen finner dramatiske endringer i embryo.
"Når vi fjernet disse signalene, alle vev som danner på baksiden av embryo - hjernen, rotere ledningen og muskler - var tapt," sa Khokha. "Ikke bare var tilbake vev tapt, men magen vev ble kraftig utvidet - hele embryo ble repatterned, så det er mer magen-like enn det er bak-aktig. Så er disse signalene nødvendig for at mønsteret skal utføres riktig."
"Vi først funnet disse signalene i 1992, og siden da har vi funnet ut hvordan de fungerer. Men fordi det er så mange av dem, det har vært vanskelig å virkelig spiker ned at de er viktige, Harland sier. "Vi har måttet slå ned tre av dem til å bevise at de er avgjørende."
I 1920-tallet, arbeide ved University of Freiburg i Tyskland, Spemann og hans elev Bladbete funnet at som massen av celler i embryo begynte å ta form, et område i embryo - det de kalte "assistent" - syntes å være kilden til signaler til nærliggende celler, fortelle dem til skjemaet tilbake strukturer. Hva clinched deres eksperimentet var å ta organizer fra én embryo - i sine eksperimenter, en newt - og implanting det inn i et annet.
"De faktisk er produsert en Siamese twin embryo," sa Khokha. "Stykke de kuttet fra donor-embryo og transplanted i vert embryo var i stand til å redefinere strukturer i vert embryo å gjøre tilbake strukturer der magen normalt vil danne - å indusere en annen head, hjerne og ryggmarg. Vev de transplanted sendt signaler til verten oppretter disse nye strukturer."
Siden da har forskere søkte på signalnettverk faktorer secreted av Spemanns assistent. Blitt kalt Ben morphogenetic protein (BMP) antagonister, disse faktorene blokkere en prosess som oppretter magen strukturer og klart veien for tilbake utvikling.
-Det er virkelig i de siste 20 årene at det har vært mulig å erte disse fra hverandre ren og utvikle essay som er god nok til å finne molekylene involvert i normal prosess,"sa Harland.