精子与卵子相遇，引发一连串事件，最终形成胚胎。但是，发育中的细胞——它们都含有相同的遗传信息——是如何决定它们长大后会变成什么样子的呢?一个细胞是如何分化成肌肉、皮肤、器官，甚至是新的卵子和精子的?
新的研究可能为原始生殖细胞的发育提供线索，并提供令人惊讶的见解。原始生殖细胞是指最终成熟并能够繁殖的细胞。 细胞和发育生物学助理教授Idse Heemskerk博士说:“人类原始生殖细胞是如何产生的这个问题很难研究，因为没有好的实验系统可以使用。”
迄今为止，许多研究都集中在动物模型上，这些模型对于人类发展来说是不完善的。在培养皿中使用细胞的替代研究也有不同的结果。Heemskerk解释说，这样的体外研究始于人类衍生的多能干细胞——修饰成类似胚胎的干细胞，具有在体内生成任何细胞的内在潜力。然后将这些细胞培养并观察几天。
然而，“干细胞分化过程的控制很差，原始生殖细胞可能是最糟糕的，”Heemskerk解释说。“不同细胞株和不同实验的产量差异很大。”
论文发表在eLife杂志。Heemskerk、研究员Kyoung Jo博士和他们的团队描述了一个强大的新模型系统，该系统使用一种称为微模式的技术来对混乱进行一些控制。通过这项技术，实验室培养皿被修改，细胞只能粘在特定的区域。这导致了更有组织的干细胞分化模式。
他说:“如果你控制干细胞的数量和它们排列的方式，那么它们所做的事情就会变得更加可复制，当它们每次都做同样的事情时，你就可以真正地分析正在发生的事情。”
Heemskerk解释说，在微细图案的培养皿中，多能干细胞可靠地形成不同类型细胞的同心圆，这些细胞在人类胚胎中形成的过程称为原肠成形。这些细胞被分为身体的三种谱系:外层形成皮肤和神经，内层形成肠道和器官，中间一层形成肌肉、骨骼和血液。在这些新的体外模型中也可以看到第四种细胞类型——原始生殖细胞变成生殖细胞。
Heemskerk解释说，这些细胞之前被认为是肠道细胞，因为在鼠体内，它们表达了一种只能在鼠肠道中找到的标记。
此外，该模型使他们的团队能够确定为什么细胞会以系统的方式排列。
“细胞相互发送信号来协调谁做什么……我们有药物来阻止这些信号，看看会发生什么。”
其中一种叫做BMp的信号被认为通过打开另一种叫做WNT的信号来触发胚胎发育的级联反应，WNT又激活了另一种叫做Nodal的信号。
通过阻断这个级联反应的每个步骤，研究小组能够确定Nodal，而不是普遍认为的WNT，对原始生殖细胞的发育最重要。
他们还发现，原始生殖细胞总是在离培养皿边缘固定的距离上发育。通过缩小微图案区域，他们可以将生殖细胞的产量提高一倍以上，这对研究不孕症基础科学的研究人员来说是一个至关重要的进展。
Heemskerk说:“我们正在试图理解发育的基本原理和定义不同细胞类型的信号。我们现在有了一个系统，可以更好地研究人类生殖系是如何产生的。”
“Efficient differentiation of human primordial germ cells through geometric control reveals a key role for Nodal signaling,” eLife. DOI: 10.7554/eLife.7281