不同的生化反应速度导致物种特异性的分节时钟周期

在一项新的研究中，来自日本理化学研究所、京都大学、西班牙欧洲分子生物学实验室和庞培法布拉大学的研究人员发现 “分节时钟（segmentation clock）”---一个控制胚胎体型形成的基因网络---在人类中的进展速度比在小鼠中更慢，原因在于人类细胞中的生化反应更慢。生化反应速度的差异可能是物种间发育节奏差异的基础。相关研究结果发表在2020年9月18日的Science期刊上，论文标题为“Species-specific segmentation clock periods are due to differential biochemical reaction speeds”。

在脊椎动物发育的早期阶段，胚胎发育成一系列的“分节（segment）”，最终分化成不同类型的组织，比如肌肉或肋骨。众所周知，这个过程是由一个振荡的生化过程（即所谓的分节时钟）控制的，分节时钟在不同的物种之间是不同的。例如，小鼠的分节时钟约为2小时，人类约为5小时。然而，为什么这个分节时钟周期的长度在不同物种之间会有所不同，一直是个谜。

为了解开这个谜团，这些作者开始使用小鼠胚胎干细胞和诱导性多能干细胞（ips）进行实验，在实验中，他们将它们转化为节前中胚层细胞（presomitic mesoderm cell, PSM），即参与分节时钟的细胞。

他们首先研究细胞网络中是否发生了一些不同的事情，或者细胞内的过程是否存在差异。通过阻断重要信号或将细胞隔离的实验，他们发现后者是正确的。

在了解到细胞内的过程是关键的情况下，他们猜测差异可能在主基因HES7内，它通过抑制它自己的启动子来控制这个过程，并做了很多复杂的实验：他们在人细胞和小鼠细胞之间交换了基因，但这并没有改变它们的分节时钟周期。

根据论文通讯作者Miki Ebisuya的说法，“未能显示出基因上的差异，让我们有可能认为这种差异是由细胞内不同的生化反应驱动的。”

他们研究了HES7蛋白的降解率等因素是否存在差异，毕竟HES7蛋白是分节时钟周期中的一个重要因素。他们观察了包括小鼠和人类蛋白降解速度在内的一系列过程，证实了这一假设：两种蛋白在人类细胞中的降解速度都比小鼠细胞慢。此外，HES7转录和翻译成蛋白所需的时间，以及HES7内含子被剪接所需的时间也存在差异。Ebisuya说，“因此，我们证实人类和小鼠细胞中的细胞环境确实是导致生化反应速度不同从而导致时间尺度不同的关键。”

她继续说，“据此，我们提出了一个我们称之为发育异时性（developmental allochrony）的概念，这项新的研究将帮助我们理解脊椎动物发育的复杂过程。至今仍未解开的一个关键问题是，究竟是什么导致了人类细胞和小鼠细胞在反应时间上的差异，我们计划开展进一步的研究来阐明这一点。”