干细胞在发育到后期胚胎的过程中，经历了一系列的发育步骤。这些步骤之间的过渡是由相邻细胞之间交换的信号分子控制的。成纤维细胞生长因子4 (FGF4)是早期哺乳动物胚胎发生过程中最重要的信号之一。当它被细胞识别时，这个信息被信号蛋白网络处理，导致细胞反应。该网络的主要参与者，他们的角色和相互作用，现在已经很清楚，但只有很少知道的信号动力学。但是动态到底是什么意思，为什么动态很重要?

动力学决定细胞命运

在信号转导中动力学的重要性的典型例子中，两种不同的分子信号触发不同的细胞反应——分化和细胞生长——尽管它们使用相同的信号转导网络。这是可能的,因为动态的信号转导系统激活特定的两个分子的信号:尽管一个激活系统在短时间内导致细胞生长,其他激活相同的系统在很长一段时间内造成分化。因此，信号动力学对于决定细胞的命运显然很重要。然而，到目前为止，许多研究只能观察在数小时内展开的相当缓慢的动态变化，而且在所有细胞中都是一样的;他们看不到快速动态变化，尤其是在同一个培养皿中干细胞之间的差异。

ERK活动每六到七分钟跳动一次

围绕Christian Schr?ter和Luis Morelli的团队现在能够更好地理解干细胞中的快速信号动力学。通过在活干细胞中引入荧光传感器，科学家们可以实时测量主要信号蛋白ERK的活性。ERK活性对于将分子信号转化为遗传反应，从而调节干细胞分化非常重要。“在短期内测量单个干细胞的ERK活性在实验上要求很高，以前从未用这种方法做过。我们第一次观察到，ERK活动每6到7分钟脉冲一次，比之前在其他细胞系统中显示的类似信号要快。在单个细胞中，脉冲经常一个接一个地非常有规律地发生，但在单个细胞之间，脉冲模式是显著不同的，”Christian Schr?ter说。研究人员还可以观察到，随着FGF4信号的增加，脉冲的数量在许多细胞中增加，即使单脉冲的持续时间没有随着FGF4的变化而改变。

跨学科方法——洲际合作

“这种数据及其在细胞信号中的作用很难解释。这就是我们的专长发挥作用的地方，”马克斯·普朗克协会的合作伙伴、IbioBa长期合作伙伴和组长路易斯·莫瑞里说。“我们必须开发一种新的理论方法来描述时间序列的动力学。通过这样做，我们发现脉冲间隔的持续时间可能编码信息，因为我们可以找到脉冲和沉默。我们称这种新的动态特征为间歇性振荡。”

振荡是信号过程中一个越来越被认可的特征。我们假设，我们在干细胞中发现的间歇性振荡就像一种编码分化信息的莫尔斯电码。据推测，从脉冲到沉默的转换起着决定性的作用。现在的问题是，动力学告诉我们什么关于干细胞信号的组织?细胞如何能够读取振荡，它们如何影响细胞的行为?我相信，有一天，实验学家和理论学家需要密切合作，以解开干细胞生物学中这个新维度的起源和功能，”克里斯蒂安Schr?ter说。

Journal Reference:

Dhruv Raina, Fiorella Fabris, Luis G. Morelli, Christian Schröter. Intermittent ERK oscillations downstream of FGF in mouse embryonic stem cells. Development, 2022; 149 (4) DOI: 10.1242/dev.199710