是什么让生活变得美好？ 线粒体可以为细胞保留时间广达杂志

正如不同地方的人们似乎以不同的节奏行事一样，不同的物种也是如此。 它们以自己的速度衰老：有些生物，比如果蝇，会竞相成年，以便在短暂的食物来源消失之前繁殖，而像人类这样的生物则需要数十年的时间才能慢慢成熟，部分原因是构建一个庞大而复杂的大脑需要它。 在胚胎生命的最初阶段，不同组织发育的时间和方式的微小调整可以极大地改变有机体的形态——这是进化创造新物种时所利用的机制。 然而，是什么决定了有机体生长的节奏仍然是一个谜。

“我们对控制发育时间的知识确实落后于发育生物学的其他领域，”说 玛格丽特·迪亚兹·夸德罗斯，他在波士顿马萨诸塞州总医院领导了针对发育节奏的研究。

发育生物学家在鉴定 调控基因网络 它们相互交流——反馈循环的级联系统，在正确的时间和地点打开或关闭基因，以构建一只眼睛或一条腿。 但物种间这些基因网络高度保守的相似性与发育时间的巨大差异形成鲜明对比。 例如，小鼠和人类使用相同的基因组来产生神经元和脊柱。 然而，小鼠的大脑和脊柱与人类的大脑和脊柱完全不同，因为这些基因激活的时间不同，目前还不清楚为什么会这样。

“基因调控似乎并不能解释发育时间的一切，”说 皮埃尔·范德海根，他在比利时鲁汶大学研究大脑的进化和发育。 “现在，这有点具有挑衅性，因为在某种程度上，在生物学中，一切都应该由基因调控直接或间接地解释。”

关于生命运转的新解释正在从创新中出现——比如干细胞培养的进步和操纵新陈代谢的工具的可用性，这些工具最初是为了研究癌症而开发的——现在，研究人员可以绘制图表并研究早期癌症的发展速度。胚胎和组织的更详细信息。 在过去几年的一系列论文中，包括 一键发布 六月，几个研究小组独立地集中研究了发育速度、生化反应速度以及这些生化反应背后的基因表达率之间的有趣联系。

他们的发现指出了一个常见的节拍器：线粒体，它可能是细胞的计时器，为创造和维持生命的各种发育和生化过程设定节奏。

神经元保持时间

十多年前，范德海根做了一项实验，为现代关于如何保持发育节奏的研究奠定了基础。 神经生物学家当时在 他的比利时实验室 在培养皿中培养干细胞，并观察它们从细胞空白板成熟到与其他神经元连接和交流需要多长时间。 他认为通过比较这些准备成为神经元的小鼠和人类干细胞，他可能会找到人类大脑起源和进化的线索。

他注意到的第一件事是，小鼠干细胞在大约一周内分化成成熟的脑细胞——比人类干细胞要快，后者需要三到四个月的时间才能生长。

但这些细胞在正在发育的大脑中而不是在孤立的培养皿中会以同样的方式发育吗？ 为了找到答案，他将小鼠神经元移植到活小鼠大脑中。 该细胞遵循与宿主小鼠神经元相同的时间线，大约一周后分化。 然后他对人类神经元进行了同样的尝试，将其植入小鼠大脑中。 令他惊讶的是，人类神经元有自己的时间。 尽管处于啮齿动物环境中，但它还是花了近一年的时间才成熟。

“这为我们提供了第一个重要的答案，即无论计时机制是什么，其中很多似乎都在神经元本身中，”范德哈根说。 “即使你将细胞从培养皿中取出并放入另一个生物体中，它们仍然会保留自己的时间线。”

尽管如此，直到几年前，人们对潜在的细胞机制几乎一无所知。

范德海根开始思考神经元的构建模块从何而来。 “制造神经元，就像建造一座超级复杂的建筑，”他说。 “你需要一些良好的物流。” 细胞不仅需要能量，还需要原材料来生长和分裂。

他怀疑线粒体可能提供这些构建模块。 细胞器是细胞生长和新陈代谢的关键。 它们产生能量，为它们赢得了“细胞发电站”的绰号，它们还产生构建氨基酸和核苷酸以及调节基因表达所必需的代谢物。

线粒体的经典观点是它们在细胞的生命周期中不会发生变化。 “它们就像细胞中漂亮、风景如画的小香肠，它们提供能量，”范德海根说。 但当他和 岩田良平他实验室的博士后学者更仔细地观察了发育中的神经元，他们发现线粒体也需要时间来发育。

他们报告说，年轻的神经元 科学，线粒体很少，而且它们所拥有的线粒体是碎片化的，产生的能量很少。 然后，随着神经元的成熟，线粒体的数量、大小和代谢活性都会增加。 更重要的是，这些变化在小鼠身上发生的速度比在人类身上更快。 从本质上讲，该系统是扩展的：两个物种中线粒体的成熟与神经元的成熟保持同步。

这一发现对范德哈根和岩田来说非常重要。 这让他们想知道线粒体是否可能是推动物种间发育速度巨大差异的安静鼓点。

如何生长脊柱

研究胚胎发育速度的经典模型之一是脊柱的图案。 所有脊椎动物都有由一串椎节组成的脊柱，但物种的数量和大小各不相同。 因此，一个自然的问题是，产生这一基本脊椎动物特征及其在整个动物界的许多变异的发育机制。

1997年，发育生物学家 奥利维尔·普尔基埃现在在哈佛医学院，首先发现了一种称为分段时钟的分子振荡器，它驱动脊​​椎动物脊柱的模式机制。 他的研究小组利用鸡胚胎，确定了胚胎组织中每个椎骨节段形成过程中有节奏表达的关键因素。 分段时钟触发基因表达的振荡，导致细胞对从头到尾移动的波前信号的反应发生波动。 当波前遇到响应细胞时，就会形成一个片段。 通过这种方式，时钟和波前机制控制脊柱的周期性组织。

协调分段时钟的基因在物种间是保守的。 然而，时钟周期——振荡中两个峰值之间的时间——却不是。 多年来，发育遗传学家无法解释这一点：他们没有遗传工具来精确操纵生长中胚胎的时钟。 因此，2008 年左右，Pourquié 开始开发方法，以便在实验室中更好地剖析该机制。

当时，“这听起来完全是科幻小说，”他说。 但在接下来的十年里，随着 Pourquié 的实验室和世界各地的其他实验室学会了培养胚胎干细胞并 甚至构建类器官 ——就像视网膜、肠道或迷你大脑——在盘子里。

Pourquié 和他当时的研究生 Diaz Cuadros 找到了一种在小鼠和人类干细胞中复制生物钟的方法。 在早期实验中，他们观察到小鼠的时钟周期大约为两个小时，而人类细胞大约需要五个小时才能完成一次振荡。 这是第一次有人确定了人类的分段时钟周期。

其他实验室也看到了干细胞生物学的这些进步在解决有关发育时间的长期问题方面的潜力。 2020 年，两个研究小组——其中一个由 惠比须谷三木 在巴塞罗那的欧洲分子生物学实验室和另一个 詹姆斯·布里斯科 伦敦弗朗西斯·克里克研究所独立发现，细胞中的基本分子过程与发育的步伐保持同步。 他们发表了研究 侧 by 侧 in 科学.

Ebisuya 的团队希望了解驱动每个时钟周期的分子反应（基因表达和蛋白质降解）速率的差异。 他们发现，这两个过程在小鼠细胞中的运行速度是人类细胞的两倍。

相反，布里斯科着眼于脊髓的早期发育。 与分段时钟周期一样，与小鼠相比，人类的神经元分化过程（包括基因序列的表达和蛋白质的分解）也相应延长。 “使用人类胚胎干细胞达到相同发育阶段需要两到三倍的时间，”布里斯科说。

就好像每个细胞内部都有一个节拍器在滴答作响。 随着钟摆的每次摆动，各种细胞过程——基因表达、蛋白质降解、细胞分化和胚胎发育——都保持同步并准时进行。

但这是除小鼠和人类之外的所有脊椎动物的普遍规则吗？ 为了找出答案，惠比寿屋的研究生 豪尔赫·拉萨罗 创建了一个“干细胞动物园”，里面有来自各种哺乳动物的细胞：小鼠、兔子、牛、犀牛、人类和狨猴。 当他重现每个物种的分段时钟时，他发现生化反应的速度与每个物种的分段时钟周期保持一致。

更重要的是，时钟节奏并不与动物的体型成正比。 小鼠细胞的振荡速度比犀牛细胞快，但人类细胞的振荡速度比犀牛细胞慢，狨猴细胞的振荡速度最慢。

调查结果， 发表于 细胞干细胞 六月，提出生化反应的速度可能是调节发育时间的通用机制。

他们还突破了分子生物学中心法则的一个重要但被忽视的方面的界限。 “我们谈论的是转录、翻译和蛋白质稳定性，”Diaz-Cuadros 说。 每个人都认为它们在所有哺乳动物或脊椎动物物种中都是相同的，“但现在我们说的是，中心法则的速度是特定于物种的，我认为这非常令人着迷。”

制造或破坏蛋白质

那么，生物钟必定源于一种设定跨物种生化反应节奏的机制。 特蕾莎·雷昂 当她想揭开它的起源时 观察运动神经元的分化 在她的伦敦实验室里，她在布里斯科的指导下学习。

她对发育中的小鼠和人类神经元进行基因改造，使其表达荧光蛋白，当受到适当波长的激光激发时，荧光蛋白会发出明亮的光。 然后她观察了引入的蛋白质的降解情况。 令她惊讶的是，同样的荧光蛋白在小鼠细胞中比在人类细胞中分解得更快，与神经元的发育保持同步。 这向她表明，细胞内环境中的某些东西决定了降解的速度。

“如果你问生物学家，‘你如何确定蛋白质的稳定性？’ “他们会告诉你，这取决于序列，”Rayon 说，她现在在英国剑桥的 Babraham 研究所领导自己的实验室。 “然而，我们发现事实并非如此。 我们认为，可能是降解蛋白质的机制发挥了作用。”

但她和她的团队只研究单一细胞类型。 如果不同组织中的细胞类型以不同的速度发育，它们的蛋白质也会以不同的速度降解吗？

迈克尔·多瑞蒂 海德堡欧洲分子生物学实验室的研究人员正在通过思考温度如何影响发育来深入研究这个问题。 许多动物，从昆虫到鱼类，在较高温度下饲养时发育得更快。 有趣的是，他观察到，在温暖环境中饲养的斑马鱼胚胎中，某些细胞类型的发育速度比其他细胞类型加快。

In 预印本 他去年发表的文章中，重点解释了涉及制造和降解蛋白质的机制。 某些细胞类型需要比其他细胞更大的体积或更复杂的蛋白质。 因此，某些细胞类型长期“给这些蛋白质质量控​​制机制带来负担”，他说。 当温度升高时，它们没有能力满足更高的蛋白质需求，因此它们的内部时钟无法加快并跟上步伐。

从这个意义上说，生物体并不维持一个统一的时钟，而是为许多组织和细胞类型拥有许多时钟。 从进化的角度来说，这不是一个错误，而是一个特征：当组织彼此发育不同步时，身体部位会以不同的速度生长——这可能导致不同生物体甚至新物种的进化。

就好像他们发现了细胞内部节拍器的调谐旋钮，可以让他们加快或减慢胚胎发育的速度。 “基因调控结构的差异并不是解释这些时间差异的原因，”普尔基埃说。 研究结果是 发表于 自然 今年早些时候。

这种代谢调节旋钮不仅限于发育中的胚胎。 与此同时，岩田聪和范德哈根找到了如何利用药物和遗传学来调节成熟神经元的代谢节奏——这一过程与仅运行几天的分段时钟不同，需要数周或数月的时间。 当小鼠神经元被迫更慢地产生能量时，神经元的成熟也会更慢。 相反，通过药理学将人类神经元转向更快的途径，研究人员可以加速它们的成熟。 研究结果是 发表于 科学 一月.

对于范德哈根来说，他们的实验结论很明确：“代谢率正在驱动发育时间。”

然而，即使新陈代谢是所有其他细胞过程的上游调节器，这些差异也必须回到基因调节上。 线粒体可能会影响发育基因或参与制造、维持和回收蛋白质机制的基因的表达时间。

Vanderhaeghen 推测，一种可能性是线粒体的代谢物对于基因组中折叠 DNA 的浓缩或扩展过程至关重要，这样 DNA 才能被转录以构建蛋白质。 他认为，也许这些代谢物限制了转录速度，并在全球范围内决定了基因调控网络开启和关闭的速度。 然而，这只是一个想法，需要进行实验性的分析。

还有一个问题是什么让线粒体首先发挥作用。 Diaz Cuadros 认为答案一定存在于 DNA 中：“在小鼠和人类的基因组中，一定存在序列差异，编码了发育速度的差异。”

“我们仍然不知道差异在哪里，”她说。 “不幸的是，我们距离那个目标还很远。”

找到答案可能需要时间，就像线粒体时钟一样，科学进步有自己的节奏。

更正，18 年 2023 月 XNUMX 日
在引言中，修改了一句话，以澄清是基因表达率，而不是总体代谢率，有助于指导发育节奏。 该文章还进行了更新，以纠正干细胞动物园中哪些物种具有最快和最慢的分段时钟振荡。