การเต้นรำแห่งชีวิต: ศาสตร์ใหม่
ของการที่เซลล์เดียวกลายเป็นมนุษย์ได้อย่างไร Magdalena Zernicka-Goetz และ Roger Highfield Basic (2020)
การศึกษาพัฒนาการของมนุษย์และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในระยะแรกนั้นต้องใช้ความคล่องแคล่วและความแข็งแกร่งอย่างมหาศาล ไม่เหมือนตัวอ่อนของเม่นทะเลซึ่งโปร่งใส ตัวอ่อนของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมถูกซ่อนจากการมองเห็น การตรวจสอบพัฒนาการของพวกมันก็เป็นเรื่องยากเช่นกัน เนื่องจากจังหวะเวลาอันละเอียดอ่อนและลำดับเหตุการณ์ที่สร้างสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนสูง ผลก็คือ เรื่องราวของนักวิทยาศาสตร์ในการถอดรหัสกลไกพื้นฐานของการพัฒนาต่างๆ ในช่วงศตวรรษที่ผ่านมาอย่างชาญฉลาดได้อย่างไร มักจะเป็นสิ่งที่น่าดึงดูดพอๆ กับสิ่งที่พวกเขาค้นพบ
Magdalena Zernicka-Goetz เป็นผู้เล่นหลักในเรื่องนั้น ตัวเลขที่ก้าวล้ำในชีววิทยาพัฒนาการและวิทยาศาสตร์สเต็มเซลล์มาเป็นเวลาหลายทศวรรษ ผลงานของเธอได้รีเซ็ตนาฬิกาสำหรับการกำหนดชะตากรรมของเซลล์ในตัวอ่อนของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในระยะแรก ท่ามกลางการค้นพบอื่นๆ ห้องปฏิบัติการของเธอได้ปรับปรุงระบบการเพาะเลี้ยงที่สามารถขยายการพัฒนาของตัวอ่อนมนุษย์ในหลอดทดลอง (MN Shahbazi et al. Nature Cell Biol. 18, 700–708; 2016) ซึ่งเป็นแบบจำลองที่มีประสิทธิภาพสำหรับการวิจัยขั้นพื้นฐานที่มีความหมายสำหรับการปรับปรุงความเข้าใจ การสูญเสียการตั้งครรภ์ หนังสือของเธอ The Dance of Life ซึ่งเขียนโดยนักข่าวด้านวิทยาศาสตร์ Roger Highfield เป็นเรื่องราวที่ชัดเจนเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงและการเปิดเผยทางเทคโนโลยีที่ยิ่งใหญ่ในสาขาของเธอ นอกจากนี้ยังเป็นเรื่องราวส่วนตัวของการผจญภัยทางวิทยาศาสตร์ที่กำลังดำเนินอยู่ ซึ่งเต็มไปด้วยความล้มเหลว ความเหนื่อยล้า และความดื้อรั้นมากพอๆ กับทัศนียภาพใหม่อันน่าตื่นเต้น
การเปลี่ยนแปลงที่น่าทึ่ง
การบรรยายหลักของหนังสือนี้ใช้เวลาร่างกว่า 15 ปี โดยเป็นการเปลี่ยนแปลงที่น่าทึ่งภายในเวลาเพียงไม่กี่วัน ของเซลล์ไข่ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมทรงกลมเดี่ยวไปยังหลอดที่มีสเต็มเซลล์ทุกประเภทที่จำเป็นสำหรับการวางแผนร่างกายเต็มรูปแบบ (ดู go.nature.com /2vgrjpw). จนถึงต้นทศวรรษ 2000 คิดว่าความหลากหลายนี้เกิดจากเซลล์ที่เหมือนกันในตอนแรก ตัวอย่างเช่น ที่ระยะสี่เซลล์ เซลล์ทั้งหมดถูกสันนิษฐานว่ามีความสามารถในการทำให้เกิดเซลล์ทุกประเภทเท่ากัน — สถานะที่เรียกว่า totipotency แบบสมมาตร ปรากฎว่าพวกเขาไม่ได้
กลุ่มของ Embryologist Martin Johnson ซึ่งทำงานที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ สหราชอาณาจักร ในช่วงปลายทศวรรษ 1970 และ 1980 ได้พัฒนา ‘สมมติฐานโพลาไรเซชัน’ สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าความแตกต่างที่พัฒนาขึ้นในแต่ละเซลล์ของตัวอ่อนระยะแรกอาจกลายเป็นพื้นฐานของประชากรหรือสายเลือดที่แตกต่างกัน Zernicka-Goetz พยายามทำความเข้าใจถึงความสำคัญของความไม่สมดุลในการระบุว่าเซลล์ใดกลายเป็นอะไร ที่ไหน ทำไม และอย่างไร เธอยืนยันว่าการปั้นที่มีชื่อเสียงของตัวอ่อนระยะแรกไม่ได้มาจากความสม่ำเสมอ แต่มาจากความแตกต่าง
การวิจัยอย่างมีจริยธรรม — ถนนที่ยาวและเป็นหลุมเป็นบ่อจากการหลบเลี่ยงไปสู่การแบ่งปัน
เครื่องมือหลายอย่างทำให้ Zernicka-Goetz ติดตามการก่อตัวของรูปแบบเมื่อเริ่มต้นการพัฒนา หนึ่งคือโปรตีนเรืองแสงสีเขียว ซึ่งเป็นโมเลกุลของแมงกะพรุนที่เรืองแสงภายใต้แสงอัลตราไวโอเลตและสามารถใช้เพื่อแท็กเซลล์แต่ละเซลล์เพื่อให้สามารถทำแผนที่การเคลื่อนไหวของพวกมันได้ เครื่องมือนี้ช่วยให้ทีมของเธอติดตามชะตากรรมต่างๆ ของเซลล์ตัวอ่อนในช่วงสองสามขั้นตอนแรกของการแบ่งเซลล์ การปรับแต่งวิธีการที่ยากลำบากแต่ทรงพลังนี้ก่อให้เกิดสาระสำคัญของหนังสือเล่มนี้
เครื่องมือสำคัญอีกชิ้นหนึ่งคือแบบจำลองทางทฤษฎีของความไม่สมดุลซึ่งเป็นที่มาของรูปแบบ ซึ่งจัดทำโดยนักคณิตศาสตร์อลัน ทัวริง ในบทความเรื่อง ‘The Chemical Basis of Morphogenesis’ ในปี 1952 ซึ่งเขียนขึ้นเมื่อสองปีก่อนที่เขาจะเสียชีวิต ทัวริงอธิบายว่าสารเคมีที่มีปฏิสัมพันธ์กันสองชนิดที่มีอัตราการแพร่ต่างกันสามารถสร้างรูปแบบที่เสถียรได้ ซึ่งเป็นกระบวนการที่รู้จักกันในชื่อทฤษฎีการแพร่กระจายของปฏิกิริยา (AM Turing Phil. Trans . R. Soc. B 237, 37–72; 1952).
เป็นไปได้ไหมว่าความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างเซลล์ตัวอ่อนแรกสุดอาจเพียงพอที่จะทำให้เกิดการแบ่งสายเลือดของเซลล์สมอง เซลล์เม็ดเลือด และอื่นๆ เพื่อหาคำตอบ Zernicka-Goetz จำเป็นต้องเปรียบเทียบเซลล์ที่แบ่งออกเป็นแบบต่างๆ เพื่อทดสอบอคติที่สืบทอดมาของพวกมันที่มีต่อเส้นทางการพัฒนาที่เฉพาะเจาะจง
chimaeras รหัสสี
ในตอนต้นของสหัสวรรษ ในสิ่งที่เธอเรียกว่าชุดการทดลองที่ “ทรหด” ผู้เขียนและทีมงานของเธอได้ประกอบ ถอดประกอบ และประกอบชิมาเอราที่มีรหัสสีด้วยตนเองซึ่งประกอบด้วยเซลล์ของเมาส์ดิวิชั่น 1 ที่มีโพลาไรซ์เฉพาะที่นำมาจากตัวอ่อนที่แตกต่างกัน พวกเขาใช้แบบจำลองที่ทำด้วยมือเหล่านี้เพื่อติดตามและเปรียบเทียบรูปแบบของการแบ่งเซลล์ที่ตามมาอีกครั้งด้วยฉลากเรืองแสง ภายในปี 2548 พวกเขาได้ติดตามชะตากรรมของเซลล์หลายร้อยเซลล์ใน chimaeras และตัวอ่อนอีกหลายพันตัว ผลการวิจัยพบว่าลักษณะเฉพาะของเซลล์ที่แตกต่างกันส่งผลต่อชะตากรรมของเซลล์ ตั้งแต่การแยกเซลล์แรกออกเป็นสอง และสองเป็นสี่ กระดาษแล้วกระดาษถูกปฏิเสธโดยผู้ตรวจสอบที่ไม่เชื่อ แต่ในที่สุดฉันทามติก็เริ่มเปลี่ยนไปเมื่อหลักฐานกลายเป็นสิ่งที่หักล้างไม่ได้
