说到造肾，只有大自然才有一套完整的蓝图。但是，南加州大学领导的一个科学家团队通过对肾脏如何形成其过滤单元(称为肾单位)的综合分析，设法借用了自然界的一些内容。
南加州大学干细胞生物学和再生医学系 Andy McMahon 实验室的这项研究发表在Developmental Cell杂志上，由 Nils Lindström 领导，他作为博士后研究员开始了这项研究，现在是同一部门的助理教授。该研究还引入了来自普林斯顿大学和英国爱丁堡大学的合作者的专业知识。
该团队追踪了细胞如何相互作用以奠定人类肾脏基础的蓝图，以及异常发育过程如何导致疾病。他们的发现作为人类肾发生图谱的一部分公开提供，该图谱是一个可搜索的数据库，显示基因在发育中的人类肾脏中何时何地活跃，并预测发育中细胞类型中正在进行的调节相互作用。
“只有一种方法可以构建肾脏，这就是大自然的方式，”南加州大学 Eli and Edythe Broad 再生医学和干细胞研究中心主任麦克马洪说。“只有通过了解正常胚胎发育的逻辑框架，我们才能提高合成细胞类型、模拟疾病并最终构建功能系统以取代有缺陷的肾脏的能力。”
为了重建自然的分子和细胞蓝图，该团队研究了数百个人类和小鼠肾单位在其典型发育轨迹上的不同点。这使研究人员能够比较自人类和小鼠从其共同的哺乳动物祖先分化以来近 2 亿年的进化过程中保存的重要过程。
该研究详细介绍了支持人类和小鼠肾单位形成的类似遗传机制，使其他科学家小组能够遵循这些发育程序的逻辑来制造新型肾细胞。总而言之，至少有 20 种特殊的细胞类型形成了肾脏复杂的管状网络，这有助于维持体液和 pH 值平衡，过滤血液，并将毒素浓缩到尿液中进行排泄。
“通过生成人类肾单位形成的美丽复杂过程的详细视图，我们的目标是增强我们对发育和疾病的理解，同时指导构建合成肾脏结构的努力，”Lindström 说。
科学家们还能够确定在肾脏和泌尿道先天性异常 (CAKUT) 中具有已知作用的表达基因的精确位置。在特定类型的细胞中，研究人员确定了相互作用的基因网络。基于这些关联，该团队预测了在 CAKUT 和其他肾脏疾病中探索的新候选基因。
“我们推断单个细胞中表达的基因的空间坐标的方法可以广泛用于创建其他发育中器官系统的类似图谱——这是世界各地许多研究小组的一个重要焦点，”Lindström 说。“这项研究体现了协作科学的影响，它将美国和欧洲的专业知识汇集在一起，将发育解剖学与尖端的分子、计算和显微镜工具联系起来。”
其他合著者有：Riana K. Parvez、Andrew Ransick、Guilherme De Sena Brandine、Jinjin Guo、Tracy Tran、Albert D. Kim、Brendan H. Grubbs、Matthew E. Thornton、Jill A. McMahon、Seth W. Ruffins、和来自南加州大学的 Andrew D. Smith;来自熨斗研究所和普林斯顿大学的 Rachel Sealfon、Xi Chen 和 Jian Zhou;普林斯顿大学的 Alicja Tadych;熨斗研究所的 Aaron Watters、Aaron Wong 和 Elizabeth Lovero;爱丁堡大学的比尔希尔;以及爱丁堡大学和 BGI 香港的 Chris Armit。
50% 的研究得到了美国国立卫生研究院的联邦基金(DK054364、DK110792、U24DK100845、UGDK114907、U2CDK114886 和 UH3TR002158)的支持。额外的支持来自加州再生医学研究所 (LA1-06536) 和加拿大高级研究所 (CIFAR) 的遗传网络计划。
