科學家發現控制生物生長發育的主時鐘

類似的問題也可能發生在活細胞內。如果控制發育的計時系統故障，有機體可能永遠無法完成達到成年所需的階段。

冷泉港實驗室 (CSHL) 的研究人員現在已確定了這種微小蠕蟲的關鍵發育時鐘 線蟲。這項發現揭示了細胞如何透過協調一系列精心定時的基因活動爆發來維持按計劃生長和發育。

科學家確定了主發育時鐘

幾年前，CSHL 教授 Christopher Hamill 和他的同事發現了這個發展… 線蟲 由基因表現脈衝驅動。這些基因活動的爆發是連續發生的，有助於引導生物體度過每個發育階段。

目前尚不清楚的是這些脈衝的計時是如何如此精確的。

研究小組現已發現，MYRF-1 和 LIN-42 這兩種蛋白質形成了一個反饋電路，充當線蟲基因組的中央發育時鐘。它們共同決定基因表現的每個脈衝何時開始以及持續多久。研究人員表示，這是此類非重複生理時鐘的第一個例子。

「這是蠕蟲所有細胞的中央時鐘，」哈米爾解釋。 「它負責協調一系列有限的基因表現順序脈衝，這些脈衝必須只發生一次，以保證正常的發育進程。它就像一個棘輪。它在發育過程中多次打開和關閉基因，但最終，它只朝一個方向發展。”

MYRF-1 和 LIN-42 如何控制生長

為了揭示時鐘機制，研究人員將傳統分子生物學實驗與 DNA 定序、蛋白質定序和人工智慧工具 AlphaFold 結合。

他們的研究結果表明，MYRF-1 在發育過程中發揮幾個關鍵作用。該蛋白質充當啟動每個生長階段的催化劑，也是發出信號完成的檢查點所必需的。

一旦基因活動波開始，MYRF-1 就會活化 LIN-42。然後，LIN-42 有助於調節基因脈衝的強度和持續時間。這兩種蛋白質共同確保發育以正確的順序和速度繼續進行。

當研究人員阻斷 MYRF-1 時，整個發育程序就崩潰了。

「我們以前從未見過這樣的事情，」哈米爾說。 “MYRF-1是所有細胞主調控時鐘的一部分，但它也充當每個發育階段的開關製造者和主開關。如果每個階段沒有合適的開關，發育就會碰壁而無法進展。”

探索細胞時鐘如何保持同步

研究團隊還包括 CSHL Limor 研究總監 Joshua Tur。他們的下一個目標是更了解 MYRF-1 和 LIN-42 在物理上如何相互作用，以及這些發育時鐘如何在不同細胞之間運作。

最有趣的問題之一是個體細胞時鐘在發育過程中是否會相互溝通。

「MYRF-1/LIN-42 電路適用於所有細胞，」Hamill 說。 “當你觀察正常發育時，每個獨立的細胞時鐘似乎都是同步的。但是它們會相互交流嗎？我們以前沒有深入思考過這個問題。”

發展障礙的可能影響

了解發育時鐘如何運作並保持同步可以為細胞生長、分化以及組織和器官的發育提供重要的見解。

未來，這項研究也可能幫助科學家更了解發育障礙和一些遺傳疾病。透過揭示人體內部計時系統如何保持生長向前，研究結果最終可能指出解決正常發育受到干擾的情況的新方法。

就像一列火車最終收到離開車站的信號一樣，新發現的 MYRF-1/LIN-42 時鐘似乎有助於確保開發穩步向前推進，一次一個階段。