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神经诱导物

在曼戈尔德和斯佩曼发表他们的发现之后,生物学家都迫切地想要知道组织者到底是如何工作的。一小块片段如何协调其周围整体胚胎的构建?组织者如何与邻近的细胞沟通,它们之间又在沟通什么内容?例如,它会命令其中一些细胞去制造大脑吗?类似的问题开始成为世界各地新兴生物学实验室的主要关注点。人们很快发现,组织者片段不需要进行愈合或内陷,只需将其塞进囊胚的空腔中心,它就能诱导周围的宿主片段形成第二胚胎。即使将组织者片段与宿主片段用一张滤纸隔开,它甚至仍然可以继续工作,说明细胞之间的直接接触并不是必需的。这些实验似乎表明组织者可以释放一些可扩散的信号分子。物种间的节点移植实验则表明,这些信号分子是自古以来细胞球能够形成胚胎的生物学基础,科学家们因此对于这些神奇分子的本质非常感兴趣。

与移植组织者最接近的宿主细胞通常会成为第二胚胎的中枢神经系统,因此,在一些实验室中,对组织者物质的搜索变成了对“神经诱导物”的搜索。他们设想神经诱导物是一种由组织者释放的,负责将囊胚的全能细胞转化为原肠胚的神经干细胞物质。

一些实验室试图通过对组织者进行生化分析来寻找组织者物质或神经诱导物,但微量的实验原料阻碍了这一方法的进展。还有一些实验室致力于寻找其他可能具有组织者特性的组织。研究者发现,如果将肝肾碎片塞进囊胚中,它们也可以起到组织者的作用。过了一段时间,人们终于发现,原来很多不同的组织都具有神经诱导能力。1955年,一直在寻找神经诱导物的约翰尼斯·霍尔特弗雷特(Johannes Holtfreter)绝望地说:“几乎来自两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物(包括人类)的每个器官和组织的碎片都具有诱导性。” 即使是实验室货架上随手拿取的化学物质,有时也具有诱导性。问题似乎在于,蝾螈胚胎的动物帽细胞在某种程度上已经准备好成为神经细胞,因此寻找其诱导物将成为巨大的挑战。结果就是,寻找真正神经诱导物的进程在数十年里一直停滞不前。

现在,我想说一小段题外话。1927年,英国内分泌学家兰斯洛特·霍格本(Lancelot Hogben)搬到了南非农村,发现自己身边有很多被称为“非洲爪蟾”的爪趾青蛙,于是他立即着手利用这一丰富资源进行荷尔蒙研究。在给一只成年雌性非洲爪蟾注射了牛脑下垂体提取物之后,他惊奇地发现,这只雌蛙很快就开始产卵。霍格本知道,孕妇的尿液也会携带一些脑垂体激素,于是他和同事将准孕妇的浓缩尿液注射给成年雌性非洲爪蟾,发现根据其是否产卵可以准确预测该准孕妇是否怀孕。因此,直到20世纪60年代,非洲爪蟾一直在全世界用于妊娠测试。

对于发育生物学领域来说,更重要的是,只需给雌性非洲爪蟾注射激素,人们在一年四季都可以随时获得爪蟾卵,而不是像蝾螈和火蜥蜴那样需要季节性地注射。在我职业生涯的早期,我曾经需要对火蜥蜴胚胎进行研究,这些胚胎学实验只能在春季进行。我不得不说,我还是挺喜欢这项工作的季节性节奏的。但后来,我还是转而使用非洲爪蟾胚胎,因为它们更容易获得,而且还可以提高我的工作效率。另外,对于那些仍在寻找神经诱导物的人来说,最幸运的是,非洲爪蟾的动物帽细胞可以提供清洁的实验系统,也为寻找组织者提供了一种新的分子方法。如果切下非洲爪蟾胚胎的动物帽并将其放入培养皿中,它不会发育成任何神经组织,不像蝾螈和火蜥蜴组织,只需小小的刺激就可以使其发育成神经组织。当非洲爪蟾的动物帽被隔离在培养皿中时,它就只能发育成纯粹的表皮。然而,如果等待几个小时,直到原肠胚开始形成,然后把同样的动物帽放入培养皿中,它们就会发育成神经组织。在分离的非洲爪蟾动物帽中可以看到,从表皮到神经组织发生了明显细胞系定向的变化,这为寻找难以捉摸的神经诱导物提供了新的途径。

从曼戈尔德和斯佩曼首次报告发现组织者,到1992年加州大学伯克利分校的理查德·哈兰德(Richard Harland)及其团队利用非洲爪蟾胚胎和现代分子生物学策略宣布发现斯佩曼组织者的首个活性成分,已经过去了68年。 这种成分是一种神经诱导物,哈兰德及其同事将其发现的这种蛋白质称为“头蛋白(Noggin)”,来自“头”字的俚语。头蛋白由组织者细胞制造和分泌,能够直接诱导全能胚胎干细胞成为神经干细胞。 DdZ3jJsahMCtHPRaC4fdwO+KdHfKFirWyKrIsEKnvQE07Eui/ZAI0bkO/NaPLVlu

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