揭示自然的模式
海胆胚胎可以促进我们对人类发育和发育不良的理解
图片由Cynthia Bradham提供
海胆的生活相当无聊。在每个海洋中，球形棘皮动物——与海参和海星同属一个家族——用细小的管足蜿蜒前行。他们早餐、午餐和晚餐通常吃同样的东西：海带。唯一令人兴奋的是，粗心的捕食者落在它们的一根刺上。
但在波士顿大学生命科学与工程大楼六楼的实验室里，海胆的平淡生活对澳门威尼斯人注册网站研究人员来说是无穷魅力的源泉。在那里，有三个没有盖子的水箱，里面装满了多刺的、柑橘大小的成年海胆，冰箱里放着它们的后代，也就是微小的幼虫。
实验室主任辛西娅·布拉德姆（Cynthia Bradham）一直致力于澳门威尼斯人注册网站研究海胆品种Lytechinus variegatus的幼虫。作为一名生物学副教授，她观察它们的生长，以了解更多澳门威尼斯人注册胚胎发育的知识；她的工作可能会对我们对与人类发展有关的一系列问题的理解产生影响，包括癌症、出生缺陷、再生医学和新器官的生长。
虽然观察成年海胆就像观看藤壶比赛一样令人兴奋，但通过显微镜观察它们的幼虫却令人着迷。在偏振光下，它们的骨架——形状像一个倒置的艺术画架的细线——在彩虹的颜色中闪烁。布拉德姆办公室的架子上摆满了带框的杂志封面，上面有一些幼虫的照片——其中一些是她自己的。
“我可以整天坐在那里看他们游泳，很开心；它们看起来像是由吹制玻璃制成的，里面有钻石，”她说。“幼虫是两侧的，它们有左右两侧，和我们一样，我觉得它们非常漂亮。”
雄性和雌性海胆通过释放卵子和精子的浓雾来繁殖，希望它们能在广阔的海洋中相遇。一小部分卵会受精并孵化出幼虫。当成长中的幼虫游过大海时，它们的成年自我就在里面形成了。最终，这些幼虫沉入海底，把自己里外翻过来，蜕变成球形的成虫，有坚硬的外骨骼。
由碳酸钙构成的幼虫骨架被丢弃，“就像鸡的蛋壳一样，”布拉德姆说。尽管它的短暂，幼虫的骨骼有一个精致的元素，甚至在其发展的最早阶段。
当被称为初代间质细胞的基础细胞开始形成骨架时，一个环——顶部有两个恶魔般的角——出现了，冒出了几十个纤细的蛛网状的细缕。这些纤细的丝线被称为丝状足，布拉德姆的澳门威尼斯人注册网站研究表明，当它们接触到胚胎的外层，即外胚层时，它们会被赋予生化信号，其中包含“塑造骨架的信息……告诉它们来这里或去那里，或者开始制造生物矿物或不制造生物矿物。”
这种模式形成——一个生物学术语，用来描述组成器官和组织的细胞如何组织成这些结构——是布拉德姆工作的核心。她着迷于大自然如何在细胞中编码建筑计划，然后交流和应用它们，无论是构建海胆骨架还是人类骨架。她被实际的模式所吸引：海胆骨架上不断生长的画架形状的树枝相互镜像。
“除了海绵，所有的动物都有图案。你从一个单细胞开始生命，然后这个单细胞变成了你。这难道不会让你大吃一惊吗？她说。“你可以看着自己的脸、手或胳膊，问同样的问题：这个模式是怎么形成的？”
因为海胆是一种相对简单的生物，布拉德姆可以很容易地探索这些生物模式是如何形成的。海胆胚透明，发育快，细胞类型少；与你那令人眼花缭乱的复杂身体相比。即使是成年海胆也只有大约15到20种细胞类型，而人类至少有200种。不过，Bradham说，我们从单细胞开始的旅程与海胆的旅程并没有太大的不同，这意味着她在实验室里的发现可以应用于人类发育的澳门威尼斯人注册网站研究，并有助于回答为什么这个过程有时会出错。
布拉德姆说：“在进化过程中，发育机制是非常保守的，所以从分子和细胞的角度来看，你的发育方式和果蝇的发育方式惊人地没有太大不同。”她破坏了海胆胚胎中的模式基因，然后观察其影响。
Bradham利用系统生物学发现了许多海胆基因，这些基因负责绘制骨骼的图案，在系统生物学中，数学和计算机科学有助于解码生物体的结构和工作方式。
她说：“令人惊讶的是，几乎所有的基因都与转移进展的某些方面有关。”这可能有助于阐明癌细胞在人体中的转移或扩散。
“原发性间充质细胞四处迁移，到达一个位置，然后分化，这几乎就是转移细胞所做的，除了它形成肿瘤。”
她说，更好地了解癌细胞是如何在体内四处肆虐的，我们也许能够阻止它们的发展，防止肿瘤的形成。海胆可能过着非常无聊的生活，但有一天，我们可能欠它们的。
这项工作得到了美国国家科学基金会的资助。
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