实验胚胎学是研究组织和细胞如何在胚胎中发育的学科。20世纪初,胚胎学家们正利用细胞体积大,发育迅速的两栖类物种,如青蛙或蝾螈,作为胚胎发育的模型。细胞命运图谱的研究能使科学家追踪发育中的胚胎细胞,观察它们后期是如何迁移和形成不同组织的。
HansSpemann是当时实验胚胎学领域的著名科学家,研究非常早期的发育,即受精后的原肠期。“原肠胚化”是指胚胎迅速迁移和重新排列成三种不同的细胞类型:外胚层、中胚层和内胚层,在胚胎发育的过程中起着关键作用,但此时胚胎中的细胞分化机制还不十分清楚。
Spemann发现,在双细胞期蝾螈胚胎中,有一块胚胎生长必需的“灰色新月”区域。到胚胎后期时,他发现灰色新月体产生了启动原肠胚形成的背细胞。Spemann对这些背细胞的潜在功能很感兴趣,判断其研究肯定会将实验胚胎学向前推进一大步。
HildeMangold的贡献举足轻重
HildeMangold于1898年10月20日出生于德国,1919年在法兰克福大学期间听了HansSpemann的讲座,之后加入了Spemann实验室进行博士研究工作。
Mangold的博士课题是研究在原肠胚形成过程中细胞分化是如何被指定的。Spemann和Mangold假设,背细胞启动原肠形成的细胞,在某种程度上指导着细胞的分化,而验证假设的最好方法是做胚胎细胞移植实验。
Mangold利用不同细胞色素沉着的物种进行背细胞移植,这样移植的细胞就可以通过颜色与宿主细胞区分开来。如果他们的假设是正确的,移植的细胞应该诱导宿主胚胎中周围细胞的原肠化,诱导第二个身体轴的发育。
在精卵结合、胚胎发育到特定阶段后,Mangold利用一根实验室特制的玻璃针小心地移除外膜,解剖这块微小的区域,甚至还创新性地利用了一根孩子的头发当作手术工具操作。
移植结束后,胚胎被放回水中,因为当时还没有抗生素,大多数胚胎都死了。两天后,Mangold发现她的假设是正确的——存活下来的胚胎确实发育出了第二条身体轴。在接下来的几天里,她观察到整个神经管和大脑会在移植部位形成,关键是这些新结构是由移植组织周围的宿主细胞形成的。她的实验证明,移植的背细胞诱导邻近细胞迁移并指导细胞分化。
Mangold在此课题上工作了两年,移植并记录了250多个蝾螈胚胎的实验结果。最后,只有六个存活下来。
1924年Mangold的论文发表,在论文作者一栏,Spemann却将自己的名字列在Mangold前面,但Mangold在这件事上几乎没有发言权。完成博士学位后不久,她就与家人搬到了柏林,于1924年意外身亡,年仅26岁。
组织者(Organizer)的研究还在继续
胚胎发育中背唇组织者(Organizer)的论文被称为“实验胚胎学历史上最重要的事件之一”,Mangold和Spemann为胚胎诱导的研究奠定了基础。
1935年,HansSpemann因这项工作而获得诺贝尔奖,他在演讲中一共提到了Mangold两次,却没有提到这是她的论文项目。Mangold的重要性被刻意削弱了,但她在这一领域的杰出贡献值得肯定。
胚胎发育中背唇组织者的发现引发了大量关于细胞如何分化的研究:为什么这组细胞能诱导周围细胞移动并分化成特定的细胞类型?它们是如何获得这种能力的?这种现象的本质是什么?几十年后,这些问题才得到令人满意的答案。现在,科学家们可以将人类胚胎干细胞在培养基中分化成无数种细胞类型,甚至可以取分化后的细胞,让它们再次未分化,而这都与胚胎发育中背唇的这一小块细胞有关。