脊椎动物体节形成的分节时钟调控机制

脊椎动物胚胎发育早期中胚层细胞的分节时钟控制着体节的周期性形成。体节是沿身体轴的重复结构，最终发育形成椎骨和肋骨。如果分节时钟受到干扰，体节形成就会出现缺陷，从而导致身体发育异常，最终产生脊柱先天性疾病。参与体节发育的主要模型是时钟和波前模型。中胚层分化由组合梯度系统调节，该系统涉及成纤维细胞生长因子（FGF）、Wnt/β-catenin和视黄酸（RA）信号通路。FGF信号和Wnt/β-catenin信号控制后中胚层处于未分化状态，RA信号则诱导前中胚层细胞分化导致体节成熟。因此相反的信号梯度在特定位点达到平衡。当分子振荡器从尾芽起始表达并以行波模式向前传播至信号平衡临界点时，将启动分节时钟程序，触发Mesp2等分化基因表达，表现为未成熟的前体节中胚层发育形成一对体节。随着细胞二维培养体系和时事报告系统的成熟，研究人员成功在体外将干细胞诱导分化至中胚层并实现了分节时钟的二维可视化振荡。研究表明，细胞通信中的耦合延迟可以保持相邻细胞之间同步振荡，因此导致体节边界和双侧对称形成。此后研究人员在体外重建了诱导多能干细胞的三维培养系统，再现了具有前-后（AP）轴特征的体节样结构的形成。这为解码分节时钟网络调控机理、探索体节双侧对称形成以及不同物种发育速率的代谢调控机制提供了一个宝贵的研究体系。同时为探索病理性体节缺陷发展中的失调机制创造了一个平台。