摘要：在哈佛大學有機體和進化生物學系的一項新的細胞研究中，研究人員已經確定了在Hofstenia miami中形成成年多能干細胞的細胞機制和分子軌跡。
干細胞是生物學上的奇跡。它們可以修復、恢復、替換和再生細胞。在大多數動物和人類中，這些細胞僅限于再生它們所分配的細胞類型。所以，頭發干細胞只會制造頭發。腸干細胞只會制造腸。但是，許多遠親無脊椎動物的干細胞群在成年動物中是多能的，這意味著它們幾乎可以再生任何缺失的細胞類型，這一過程被稱為全身再生。
盡管這些成體多能干細胞(aPSCs)存在于許多不同類型的動物(如海綿、水螅、渦蟲、扁蟲和一些海鞘)中，但它們是如何形成的機制在任何物種中都不清楚。
在一項新的研究種，哈佛大學生物和進化生物學系的研究人員已經確定了Hofstenia miami中aPSCs形成的細胞機制和分子軌跡．
圖1 Hofstenia miami 圖源:Mansi Srivastava和Kathleen Mazza-Curll
Hofstenia miami也被稱為三斑黑豹蠕蟲，是一種可以使用稱為“neoblasts”的aPSCs完全再生的物種。這種動物被分成幾塊，每一塊都會長出一個新的身體，包括從嘴巴到大腦的一切。資深作者Mansi Srivastava教授多年前就收集h . miamia，因為在該領域其再生能力。一旦回到實驗室，h . miamia開始產生許多易于研究的胚胎。
Srivastava和他的合著者Lorenzo Ricci在之前的一項研究中開發了一種用于轉基因的方案。轉基因是一個過程，它將一些東西引入生物體的基因組，而這些東西通常不屬于該基因組的一部分。這種方法讓另一位作者Julian O. Kimura(22歲博士)能夠繼續研究這些干細胞是如何形成的問題。
Kimura說:“能夠再生的動物的一個共同特征是成年體內存在多能干細胞。”“當動物受傷時，這些細胞負責重新制造缺失的身體部位。通過了解動物的喜好，我覺得我們可以更好地理解是什么賦予了某些動物再生能力。”
成年動物中這些干細胞群有一些統一的特征，比如一種名為Piwi的基因的表達。但到目前為止，還沒有人能夠弄清楚這些干細胞最初是如何產生的。Srivastava說:“它們主要是在成年動物的背景下研究的，在一些物種中，我們對它們的工作原理有一點了解，但我們不知道它們是如何形成的。”
研究人員知道蠕蟲幼體含有aPSCs，因此推斷它們一定是在胚胎發生過程中產生的。利瑪竇利用轉基因技術創造了一種細胞系，通過將Kaede蛋白引入細胞，使胚胎細胞發出熒光綠色。Kaede是光可轉換的，這意味著用特定波長的激光束照射綠色，將其轉換為紅色。然后你可以用激光照射這些細胞，將胚胎的單個綠色細胞變成紅色。
Srivastava說:“利用具有光轉換功能的轉基因動物是我們在實驗室設計的一種非常新的方法，可以弄清楚胚胎細胞的命運。”木村將這種方法應用于進行譜系追蹤，讓胚胎生長并觀察發生了什么。
Kimura跟蹤了胚胎從單細胞分裂到多細胞的發育過程。這些細胞的早期分裂以定型分裂為標志，這意味著胚胎細胞以完全相同的模式分裂，這樣細胞就可以被命名和研究一致。這就提出了一種可能性，也許每個細胞都有獨特的用途。例如，在8個細胞階段，左上角的細胞可能生成某種組織，而右下角的細胞則生成另一種組織。
為了確定每個細胞的功能，Kimura對早期胚胎的每個細胞進行了系統的光轉換，在八細胞階段創建了完整的命運圖。然后，他跟蹤這些細胞，直到蠕蟲長大成人，仍然帶有紅色標簽。在許多胚胎中反復跟蹤每個細胞的過程使木村能夠追蹤每個細胞的工作位置。
圖2 新生代細胞形成的分子軌跡（圖源：[2]）
在16個細胞階段的胚胎中，他發現了一對非常特殊的細胞，這對細胞產生了看起來像新細胞的細胞。“這真的讓我們很興奮，但仍有可能新細胞是由早期胚胎的多種來源產生的，而不僅僅是在16個細胞階段發現的兩對。發現在外觀上與新細胞相似的細胞并不能明確證明它們確實是新細胞，我們需要證明它們的行為也像新細胞。”
Kimura把這組被稱為3a/3b的細胞放了進去。為了成為新細胞，這些細胞必須滿足干細胞的所有已知特性。這些細胞的后代在再生過程中會產生新的組織嗎?研究人員發現，是的，只有這些細胞的后代在再生過程中產生了新的組織。
另一個決定性的特性是干細胞中的基因表達水平，干細胞必須表達數百個基因。為了確定3a/3b是否符合這一特性，Kimura選取了3a/3b發光的紅色細胞和所有其他發光的綠色細胞的后代，并使用分選機將紅色和綠色細胞分開。然后，他應用單細胞測序技術來研究在紅色細胞和綠色細胞中分別表達了哪些基因。該數據證實，在分子水平上，只有3a/3b細胞的子代與干細胞匹配，而不是任何其他細胞的子代。
Kimura說:“這最終證實了我們在我們的系統中找到了干細胞群的細胞來源。”“但重要的是，了解干細胞的細胞來源現在讓我們有辦法在細胞成熟時捕獲它們，并確定哪些基因參與了制造它們。”
Kimura在單細胞水平上生成了一個巨大的胚胎發育數據集，詳細說明了從胚胎發育的開始到結束，哪些基因在胚胎的所有細胞中表達。他允許轉化后的3a/3b細胞進一步發育，但不是一直發育到孵化階段。然后他利用分選技術捕獲了這些細胞。通過這樣做，木村可以清楚地定義哪些基因在制造干細胞的細胞譜系中被特別表達。
Kimura說:“我們的研究揭示了一組基因，它們可能是干細胞形成的非常重要的控制者。”“這些基因的同源物在人類干細胞中發揮著重要作用，這與物種有關。”
研究人員計劃繼續深入挖掘這些基因如何在干細胞中工作的機制Hofstenia miamia, 這將有助于我們了解大自然是如何進化出制造和維持多能干細胞的方法的。了解aPSCs的分子調控因子將使研究人員能夠在不同物種間比較這些機制，揭示多能干細胞是如何在動物間進化的。
參考資料：
[1]Embryonic origins of adult pluripotent stem cells
摘要：在哈佛大學有機體和進化生物學系的一項新的細胞研究中，研究人員已經確定了在Hofstenia miami中形成成年多能干細胞的細胞機制和分子軌跡。
干細胞是生物學上的奇跡。它們可以修復、恢復、替換和再生細胞。在大多數動物和人類中，這些細胞僅限于再生它們所分配的細胞類型。所以，頭發干細胞只會制造頭發。腸干細胞只會制造腸。但是，許多遠親無脊椎動物的干細胞群在成年動物中是多能的，這意味著它們幾乎可以再生任何缺失的細胞類型，這一過程被稱為全身再生。
盡管這些成體多能干細胞(aPSCs)存在于許多不同類型的動物(如海綿、水螅、渦蟲、扁蟲和一些海鞘)中，但它們是如何形成的機制在任何物種中都不清楚。
在一項新的研究種，哈佛大學生物和進化生物學系的研究人員已經確定了Hofstenia miami中aPSCs形成的細胞機制和分子軌跡．
圖1 Hofstenia miami 圖源:Mansi Srivastava和Kathleen Mazza-Curll
Hofstenia miami也被稱為三斑黑豹蠕蟲，是一種可以使用稱為“neoblasts”的aPSCs完全再生的物種。這種動物被分成幾塊，每一塊都會長出一個新的身體，包括從嘴巴到大腦的一切。資深作者Mansi Srivastava教授多年前就收集h . miamia，因為在該領域其再生能力。一旦回到實驗室，h . miamia開始產生許多易于研究的胚胎。
Srivastava和他的合著者Lorenzo Ricci在之前的一項研究中開發了一種用于轉基因的方案。轉基因是一個過程，它將一些東西引入生物體的基因組，而這些東西通常不屬于該基因組的一部分。這種方法讓另一位作者Julian O. Kimura(22歲博士)能夠繼續研究這些干細胞是如何形成的問題。
Kimura說:“能夠再生的動物的一個共同特征是成年體內存在多能干細胞。”“當動物受傷時，這些細胞負責重新制造缺失的身體部位。通過了解動物的喜好，我覺得我們可以更好地理解是什么賦予了某些動物再生能力。”
成年動物中這些干細胞群有一些統一的特征，比如一種名為Piwi的基因的表達。但到目前為止，還沒有人能夠弄清楚這些干細胞最初是如何產生的。Srivastava說:“它們主要是在成年動物的背景下研究的，在一些物種中，我們對它們的工作原理有一點了解，但我們不知道它們是如何形成的。”
研究人員知道蠕蟲幼體含有aPSCs，因此推斷它們一定是在胚胎發生過程中產生的。利瑪竇利用轉基因技術創造了一種細胞系，通過將Kaede蛋白引入細胞，使胚胎細胞發出熒光綠色。Kaede是光可轉換的，這意味著用特定波長的激光束照射綠色，將其轉換為紅色。然后你可以用激光照射這些細胞，將胚胎的單個綠色細胞變成紅色。
Srivastava說:“利用具有光轉換功能的轉基因動物是我們在實驗室設計的一種非常新的方法，可以弄清楚胚胎細胞的命運。”木村將這種方法應用于進行譜系追蹤，讓胚胎生長并觀察發生了什么。
Kimura跟蹤了胚胎從單細胞分裂到多細胞的發育過程。這些細胞的早期分裂以定型分裂為標志，這意味著胚胎細胞以完全相同的模式分裂，這樣細胞就可以被命名和研究一致。這就提出了一種可能性，也許每個細胞都有獨特的用途。例如，在8個細胞階段，左上角的細胞可能生成某種組織，而右下角的細胞則生成另一種組織。
為了確定每個細胞的功能，Kimura對早期胚胎的每個細胞進行了系統的光轉換，在八細胞階段創建了完整的命運圖。然后，他跟蹤這些細胞，直到蠕蟲長大成人，仍然帶有紅色標簽。在許多胚胎中反復跟蹤每個細胞的過程使木村能夠追蹤每個細胞的工作位置。
圖2 新生代細胞形成的分子軌跡（圖源：[2]）
在16個細胞階段的胚胎中，他發現了一對非常特殊的細胞，這對細胞產生了看起來像新細胞的細胞。“這真的讓我們很興奮，但仍有可能新細胞是由早期胚胎的多種來源產生的，而不僅僅是在16個細胞階段發現的兩對。發現在外觀上與新細胞相似的細胞并不能明確證明它們確實是新細胞，我們需要證明它們的行為也像新細胞。”
Kimura把這組被稱為3a/3b的細胞放了進去。為了成為新細胞，這些細胞必須滿足干細胞的所有已知特性。這些細胞的后代在再生過程中會產生新的組織嗎?研究人員發現，是的，只有這些細胞的后代在再生過程中產生了新的組織。
另一個決定性的特性是干細胞中的基因表達水平，干細胞必須表達數百個基因。為了確定3a/3b是否符合這一特性，Kimura選取了3a/3b發光的紅色細胞和所有其他發光的綠色細胞的后代，并使用分選機將紅色和綠色細胞分開。然后，他應用單細胞測序技術來研究在紅色細胞和綠色細胞中分別表達了哪些基因。該數據證實，在分子水平上，只有3a/3b細胞的子代與干細胞匹配，而不是任何其他細胞的子代。
Kimura說:“這最終證實了我們在我們的系統中找到了干細胞群的細胞來源。”“但重要的是，了解干細胞的細胞來源現在讓我們有辦法在細胞成熟時捕獲它們，并確定哪些基因參與了制造它們。”
Kimura在單細胞水平上生成了一個巨大的胚胎發育數據集，詳細說明了從胚胎發育的開始到結束，哪些基因在胚胎的所有細胞中表達。他允許轉化后的3a/3b細胞進一步發育，但不是一直發育到孵化階段。然后他利用分選技術捕獲了這些細胞。通過這樣做，木村可以清楚地定義哪些基因在制造干細胞的細胞譜系中被特別表達。
Kimura說:“我們的研究揭示了一組基因，它們可能是干細胞形成的非常重要的控制者。”“這些基因的同源物在人類干細胞中發揮著重要作用，這與物種有關。”
研究人員計劃繼續深入挖掘這些基因如何在干細胞中工作的機制Hofstenia miamia, 這將有助于我們了解大自然是如何進化出制造和維持多能干細胞的方法的。了解aPSCs的分子調控因子將使研究人員能夠在不同物種間比較這些機制，揭示多能干細胞是如何在動物間進化的。
參考資料：
[1]Embryonic origins of adult pluripotent stem cells
