莱斯大学（Rice University）生物科学家Aryeh Warmflash和研究生Sapna Chhabra进行的研究表明，人类胚胎干细胞是利用从细胞传到细胞的动态分子信号波来触发胚胎干细胞的分化。文章发表在PLOS Biology。

英国数学家艾伦·图灵（Alan Turing）于1952年进行的研究认为——信号梯度可以通过“图灵不稳定性”（ Turing instability）的机制自我组织——从理论上讲，这样的过程将使得一个分子的稳定梯度将不同强度的信号传递到每个细胞。

莱斯大学的发现反驳了这个观点。Warmflash，Chhabra及其同事的研究表明，这种梯度在干细胞克隆中不存在，并且该过程比以前所认为的更具动态性。他们观察受限的干细胞克隆，并使用数学模型确定这种“图灵不稳定性”机制无法解释他们所看到的触发胚胎干细胞分化的信号传导方式和波动。干细胞受触发后分化为三个胚层——内胚层，中胚层和外胚层，然后不同胚层进一步分别分化出器官，骨骼，皮肤和血液——终成为胚胎。

 

研究人员研究了BMP，Wnt和NODAL信号通路之间的动态相互作用，以解码单个受精细胞成为人类的过程。他们使用特殊形状的平板来迫使干细胞生长成为微小的圆形克隆/集落。然后研究人员可以在干细胞集落早期到形成分化细胞模式的发展过程中——但还没到发育成胚胎的程度——观察、检测和扰动干细胞集落。

在研究中，研究人员将BMP（骨形态发生蛋白）加入培养克隆。通过这个途径传输的信号使细胞开始并维持一波从细胞到细胞传递、从周边向干细胞集落中心传播的Wnt信号。Wnt继而引发了一波NODAL信号，该信号独立地向中心移动。

通过测量级联反应，研究表明BMP信号的持续时间决定了中胚层的位置——中胚层是胚胎早期发育的中间层——而Wnt和NODAL信号上调了中胚层的分化。信号通路之间的相互作用决定了中胚层环从哪里开始和停止。

该论文的主要作者Chhabra说：“我们知道这些重要的化学信号，但是此前还没有人观察到这些信号在时间和空间上的活动。”通过聚焦中胚层，我们发现分化并非取决于细胞使用的特定水平的某些化学信号。

她说：“目前，我们知道信号传导始于细胞克隆的边缘并向内移动，并且红色（染色的中胚层）细胞的位置与Wnt活性达到峰值的位置有关。” “只有一个特定时期内能允许细胞对信号做出反应。”

Warmflash说，信号到达细胞克隆中心所花费的时间也使细胞克隆中心部分无法分化为中胚层。“信号继续移动，渐渐充满整个细胞克隆。。。但是细胞是否会响应该信号则取决于信号到达特定细胞的时间。当信号波到达中间时，位于中心的细胞已经被决定分化成为外胚层。”

研究人员观察到细胞本身有微小的迁移，但速度很小，不及它们所传递的“改变命运的信号”快。

他们还发现，细胞克隆周边的细胞与已知将在胚胎中成为胎盘细胞的细胞非常匹配。Warmflash说：“关于这些细胞是否代表胎盘样细胞，该领域存在很多争议。。。这是因为，要成为胚胎本身的干细胞或成为胎盘，这个决定应该在我们整个模型开始之前就已经决定了的。”

Chhabra通过RNA测序检查了周边细胞表达的基因，并将其与近发表的人类早期胚胎胎盘细胞测序数据进行了比较。
“这使我们在本文中可以对这两件事进行*比较，” Warmflash说。 “重要的是，这些细胞可以作为人类胎盘的好的模型，就像干细胞可以作为人类胚胎的模型一样，它不是完美的，但它是一个相当不错的模型。”