در انسان، بارداری حدود نه ماه طول می کشد. در موش فقط 20 روز و در کرگدن تا 17 ماه. اگرچه بسیاری از گونه‌های پستانداران در طول رشد جنین مراحل یکسانی را پشت سر می‌گذارند، سرعت رشد در حیوانات به‌طور قابل‌توجهی متفاوت است. نمونه دیگری از رویدادهایی که از نظر زمانی در بین گونه ها متفاوت است، تشکیل محور بدن مهره داران، ستون فقرات است. تشکیل بخش‌هایی از بدن که باعث ایجاد مهره‌ها و دنده‌ها می‌شوند، به نام سومیت‌ها، توسط مکانیزمی به نام ساعت تقسیم‌بندی کنترل می‌شود. ساعت تقسیم بندی گروهی از ژن هاست که در نوسان هستند. هر نوسان تشکیل یک جفت سومیت را کنترل می کند. فرکانس نوسانات در گونه ها متفاوت است و در انسان دو تا سه برابر بیشتر از موش طول می کشد.
ساعت تقسیم‌بندی یک سیستم مناسب برای مطالعه تفاوت‌ها در گونه‌ها است و گروه Ebisuya مدت‌هاست در حال مطالعه آن بوده‌اند و اخیراً نشان داده‌اند که تفاوت در سرعت واکنش‌های بیوشیمیایی مسئول تفاوت‌های ساعت ماوس و انسان است. با این حال، به منظور تعیین اینکه آیا این یک اصل کلی توسعه است، محققان نیاز به گسترش گونه های مورد مطالعه داشتند، که تا به حال به طور نسبی محدود به انسان و موش بوده است.
اکنون، محققان گروه Ebisuya در آزمایشگاه ساعت تقسیم بندی چهار گونه پستاندار جدید، علاوه بر موش و انسان را خلاصه کرده اند: مارموست، خرگوش، گاو و کرگدن. این کار با همکاری گروه های تحقیقاتی مستقر در اروپا، ژاپن و ایالات متحده انجام شده است.
باغ وحش سلول های بنیادی چیست؟
باغ وحش سلول های بنیادی مانند کتابخانه ای از سلول های بنیادی از چندین گونه برای مطالعه و مقایسه رویدادهای مختلف رشد است. گروه همکاری سلول‌های بنیادی جنینی را جمع‌آوری کرد و سلول‌های بنیادی پرتوان را از گل مرموس، خرگوش، گاو و کرگدن القا کرد که به کتابخانه موجود انسان و موش اضافه شد. این نمونه‌گیری متنوع از گونه‌ها برای مطالعات توسعه بی‌سابقه است و هدف آن ایجاد بستری برای مقایسه فرآیندهای توسعه است.
ما می‌خواستیم بستری از سلول‌ها از چندین گونه پستانداران ایجاد کنیم تا بررسی کنیم که چرا زمان رشد آنها متفاوت است. ما می‌خواستیم تا حد امکان دامنه وسیعی داشته باشیم، بنابراین گونه‌هایی با وزن بدن از 50 گرم تا 2 تن و طول بارداری انتخاب کردیم. از 20 روز تا 17 ماه، و سه تاریخچه تکاملی یا فیلوژنی متفاوت: پستانداران (انسان و مارموست)، گلیرس (موش و خرگوش) و امنگولات (گاو و کرگدن). خورخه لازارو، دانشجوی پیش دکتری در گروه Ebisuya و اولین نویسنده مقاله گفت.
این گروه بر روی مطالعه تفاوت‌های ساعت تقسیم‌بندی چهار گونه جدید متمرکز شد. آنها پروتکل‌های تجربی را برای تمایز سلول‌های بنیادی پرتوان جنینی و القا شده به سلول‌هایی شبیه مزودرم پیش سومیتی، سلول‌هایی که ستون فقرات، دنده‌ها و ماهیچه‌های اسکلتی را ایجاد می‌کنند، اعمال کردند.
باغ‌وحش سلول‌های بنیادی ما به‌عنوان یک پلت‌فرم ایده‌آل برای بررسی علت تفاوت‌های بین گونه‌ای در دوره ساعت تقسیم‌بندی، و همچنین تعیین اینکه آیا رابطه کلی بین سرعت تقسیم‌بندی و ویژگی‌های ارگانیسم وجود دارد یا خیر، عمل می‌کند. Miki Ebisuya، رهبر گروه در EMBL Barcelona و در Cluster of Excellence Physics of Life، TU Dresden گفت.
همبستگی ساعت تقسیم بندی
طول حاملگی و همچنین بسیاری از پارامترهای بدنی دیگر به اندازه وزن بدن حیوان شناخته شده است. گونه های بزرگتر معمولا دوره بارداری طولانی تری دارند. بنابراین این گروه فرض کردند که تفاوت در ساعت تقسیم بندی می تواند به وزن بدن مربوط باشد. با این حال، به طور شگفت انگیزی، آنها هیچ ارتباطی بین میانگین وزن بدن هر یک از گونه ها و دوره ساعت تقسیم بندی آن پیدا نکردند. به طور مشابه، طول بارداری با دوره ساعت تقسیم بندی ارتباطی نداشت.
در عوض، این گروه دریافتند که دوره ساعت تقسیم بندی با طول مدت جنین زایی بسیار مرتبط است. جنین زایی زمان بین لقاح تا پایان اندام زایی است که تمام اندام ها در یک جنین تشکیل می شوند. این می تواند به این معنی باشد که ساعت تقسیم بندی می تواند به عنوان یک سیستم خوب برای درک چگونگی تعیین زمان رشد جنینی عمومی در بین گونه ها عمل کند.
علاوه بر این، این گروه دریافتند که سه تاریخچه تکاملی مختلف – نخستی‌ها، گلیرس‌ها و امنگولات‌ها – به ترتیب با دوره‌های ساعت تقسیم‌بندی آهسته، سریع و متوسط مطابقت دارند و به رابطه بین سرعت رشد و گروه‌های تکاملی اشاره می‌کنند.
در مطالعات قبلی، گروه Ebisuya قبلاً دریافتند که سرعت واکنش بیوشیمیایی با دوره ساعت تقسیم بندی مقیاس می شود. با این حال، آن مطالعات بر روی موش و انسان متمرکز بود. این گروه اکنون گونه های مورد مطالعه را گسترش داده و تأیید کرده است که چهار پستاندار جدید نیز تفاوت هایی در سرعت واکنش های بیوشیمیایی نشان می دهند که به خوبی با دوره ساعت تقسیم بندی ارتباط دارد. این نشان می دهد که تغییرات در نرخ های بیوشیمیایی ممکن است یک مکانیسم کلی برای کنترل سرعت رشد باشد.
علاوه بر این، آنها دریافتند که ژن‌های مربوط به فرآیندهای بیوشیمیایی، الگوی بیانی را نشان می‌دهند که با دوره ساعت تقسیم‌بندی مرتبط است، و سرنخ مشخصی برای مکانیسم مولکولی بالقوه در زمینه تفاوت‌های سرعت رشد در گونه‌ها ارائه می‌دهد.
Ebisuya گفت: “هدف ما این است که به افزودن گونه ها به باغ وحش سلول های بنیادی خود ادامه دهیم.” “اگر بخواهیم تایید کنیم که آیا یافته های تحقیقات ما می تواند یک اصل جهانی برای رشد پستانداران باشد، باید باغ وحش را گسترش دهیم و طیف وسیع تری از گونه ها و فیلوژنی ها را در بر بگیریم.”
در مطالعه فعلی منتشر شده در Cell Stem Cell، این گروه بر ساعت تقسیم بندی تمرکز کردند، اما رویکرد باغ وحش سلول های بنیادی امکان مطالعه زمان های بیولوژیکی دیگر مانند ضربان قلب یا طول عمر را باز می کند. هرچه محققان بیشتر در مورد نحوه عملکرد زمان بیولوژیکی بدانند، ممکن است بیشتر بتوانند آن را کنترل کنند. به عنوان مثال، در زمینه ارگانوئیدها، اگر بتوان زمان مورد نیاز برای تولید ارگانوئیدها را تسریع بخشید، می تواند مطالعات پزشکی احیا کننده را سرعت بخشد.
لازارو می گوید: «جنبه دیگری که در مورد باغ وحش سلول های بنیادی بسیار دوست دارم، امکان یادگیری از گونه های مختلف خارج از انسان و موش است. “بسیاری از حیوانات ویژگی های خاصی دارند که مطالعه آنها را جالب می کند، اما به دلایل عملی یا اخلاقی ما در آزمایشگاه به آنها دسترسی نداریم. ویژگی هایی مانند اندازه کرگدن یا گردن بلند زرافه ها. می‌داند، شاید در پروژه بعدی‌مان بتوانیم از سلول‌های بنیادی استفاده کنیم تا بفهمیم زرافه‌ها چگونه گردن بلند و سومیت‌های بلندتر خود را رشد می‌دهند!»
منبع:
آزمایشگاه بیولوژی مولکولی اروپا
مرجع مجله:
لازارو، جی. و همکاران (2023) یک باغ وحش سلول های بنیادی پوسته پوسته شدن درون سلولی سرعت رشد در بین پستانداران را آشکار می کند. سلول بنیادی سلولی. doi.org/10.1016/j.stem.2023.05.014.