Science:为什么人类比其他动物怀孕时间长?原因不在基因,而在蛋白质

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原标题:Science:为什么人类比其他动物怀孕时间长?原因不在基因,而在蛋白质

所有哺乳动物都遵循相同的步骤从胚胎生长到成年,这其中涉及相似的基因和分子信号,以相同的顺序进行着相同系列的事件。但是,从一个物种到另一个物种,通过这些相同步骤的胚胎发育却速度差异很大。

为什么某些物种的怀孕持续时间更长?例如,运动神经元在小鼠中发育只需要三天时间,而在人类中则需要一周以上。

2020年9月17日,最新一期的 Science 杂志发表了来自英国弗朗西斯·克里克研究所的一项题为:Species-specific pace of development is associated with differences in protein stability 的研究论文。

该研究发现了设定胚胎发育速度的时钟,并发现是蛋白质制造和分解的速度决定了胚胎发育速度。这些发现有帮助我们了解不同的哺乳动物如何相互进化,并有助于完善再生医学的方法。

答案在哪里?

究竟是什么决定了胚胎发育的速度?尽管许多发育过程的分子和细胞机制在进化上是保守的,但它们在不同物种之间运作的速度却有很大差异。胚胎发育的节奏控制着个体分化过程的速度,并决定了整个发育的持续时间。尽管这很重要,但是控制发展节奏的机制仍然难以捉摸。

为了解开这个难题,研究人员首先从实验室的干细胞中培养了运动神经元,这样就可以对细胞的发育进行计时,而不受胚胎内环境的任何影响。

通过比较小鼠和人类干细胞的发育时间,研究团队发现在体外这两类细胞发育的时间与在个体水平有相同的速度差异。体外人类运动神经元形成的时间是同样是小鼠运动神经元的两倍多,因此,决定发育速度的答案在于细胞本身,而不是细胞周围环境。

接下来,研究人员将人类DNA序列片段导入小鼠细胞,来确定是否是因为基因不同导致的发育速度不同。然而,这并没有改变小鼠的发育速度,因此,决定发育速度的答案也不在基因中。

答案是蛋白质

蛋白质是生命活动的执行者,蛋白质在细胞内不断地被制造和分解,不停循环更新,而在小鼠细胞和人类细胞中,蛋白质更新的速度并不相同,这一速度在小鼠中是人类的两倍,蛋白质分解和更新的速度差异正好解释了小鼠和人类这两个物种之间的发育速度差异。小鼠细胞中这种较快的蛋白质更新速度导致了运动神经元的发育速度更快。

在人类和小鼠的胚胎发育中,运动神经元的发育使用相同的基因和分子,但是人类胚胎发育需要的时间更长。这是因为人类胚胎中蛋白质比小鼠胚胎中的蛋白质更稳定,这种蛋白质的稳定性减慢了人类胚胎发育速度。

论文第一作者 Teresa Rayon 解释道:人类和小鼠的胚胎发育过程,就像拿着相同的乐谱演奏,但是人类的节拍器更慢,因此演奏的时间也就更长。现在我们已经找到了节拍器,还想进一步了解如何更改其速度。

发现的意义

了解控制发育时间的机制,对于理解再生医学和干细胞在疾病治疗中的应用具有重要意义。

加快或减慢干细胞的发育可以帮助改进用于研究和治疗应用的特定类型细胞的生产方法,并且还可以为减缓癌症等疾病中细胞生长提供新的见解。

发育时间的变化,即所谓的异时性,在物种之间体型和大小差异的进化中起着重要作用。例如,人类大脑更大,因为它的细胞在胚胎发育过程中的时间要长于小鼠中的同类细胞。因此,除了疾病治疗等实际应用之外,了解如何控制胚胎发育的速度,还能帮助我们了解不同物种是如何进化的。

论文链接:

https://science.sciencemag.org/content/369/6510/eaba7667