成體多能干細(xì)胞的胚胎起源或被揭示

據(jù)Kimura JO 2022 年12 月8 日[Cell，2022，185（25）：4756-4769.e13.]報(bào)道，美國(guó)哈佛大學(xué)有機(jī)體與進(jìn)化生物學(xué)系的研究人員確定了稱為三帶黑豹蠕蟲(chóng)（Hofstenia miamia）的阿克尓扁形蟲(chóng)中成體多能干細(xì)胞（aPSC），形成的細(xì)胞機(jī)制和分子軌跡。

干細(xì)胞是生物學(xué)上的奇跡。 它們可以修復(fù)、恢復(fù)、替換和再生細(xì)胞。 在大多數(shù)動(dòng)物和人類中，這些細(xì)胞僅限于再生它們所分配的細(xì)胞類型。 因此，毛發(fā)干細(xì)胞只會(huì)制造毛發(fā)。 腸道干細(xì)胞只會(huì)制造腸道。 但是，許多親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的無(wú)脊椎動(dòng)物的干細(xì)胞群體在成年動(dòng)物中是多能的，這意味著它們幾乎可以再生任何缺失的細(xì)胞類型，這一過(guò)程稱為全身再生（whole-body regeneration）。

盡管這些aPSC 在許多不同類型的動(dòng)物（比如海綿、水螅、真渦蟲(chóng)、阿克尓扁形蟲(chóng)和一些海鞘）中被發(fā)現(xiàn)，但它們是如何形成的機(jī)制在任何物種中都不清楚。

三帶黑豹蠕蟲(chóng)是一種可以利用稱為“neoblast”的aPSC 完全再生的物種。 將三帶黑豹蠕蟲(chóng)切成碎片，每一塊都會(huì)長(zhǎng)出一個(gè)新的身體，包括從嘴巴到大腦的一切。 因此研究人員將蛋白Kaede 引入三帶黑豹蠕蟲(chóng)胚胎細(xì)胞，使得該細(xì)胞發(fā)出綠色熒光。 利用Kaede可光轉(zhuǎn)化特性，用非常特定波長(zhǎng)的激光束照射綠色熒光會(huì)將它轉(zhuǎn)化為紅色熒光。 隨后，可以用激光照射細(xì)胞，讓胚胎中發(fā)出綠色熒光的細(xì)胞產(chǎn)生紅色熒光。 研究人員應(yīng)用這種方法，通過(guò)讓胚胎生長(zhǎng)和觀察所發(fā)生的事情來(lái)進(jìn)行譜系追蹤。 在胚胎從單細(xì)胞分裂到多細(xì)胞的過(guò)程中跟蹤了它的發(fā)育。這些細(xì)胞的早期分裂以定型分裂（stereotyped cleavage）為標(biāo)志，這意味著胚胎到胚胎細(xì)胞的分裂模式完全相同，從而可以一致地命名和研究細(xì)胞。這提出了一種可能性，即也許每一個(gè)細(xì)胞都有一個(gè)獨(dú)特的目的。例如在8 細(xì)胞階段，有可能左上角的細(xì)胞制造某種組織，而右下角的細(xì)胞則制造另一種組織。

為了確定每個(gè)細(xì)胞的功能， 研究人員系統(tǒng)地對(duì)早期胚胎的每個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了光轉(zhuǎn)換， 在8 細(xì)胞階段構(gòu)建了一個(gè)完整的命運(yùn)圖譜。然后，當(dāng)三帶黑豹蠕蟲(chóng)成長(zhǎng)為一個(gè)仍然帶有紅色標(biāo)簽的成成體蠕蟲(chóng)時(shí)，再跟蹤了這些細(xì)胞。在許多胚胎中反復(fù)跟蹤每個(gè)細(xì)胞的過(guò)程使得有可能追蹤每個(gè)細(xì)胞發(fā)揮作用的位置。 在16 細(xì)胞階段的胚胎中發(fā)現(xiàn)了一對(duì)非常特殊的細(xì)胞， 它們產(chǎn)生了看起來(lái)是neoblast 的細(xì)胞。 但懷疑neoblast 來(lái)自早期胚胎的多個(gè)來(lái)源，而不僅僅是在16 細(xì)胞階段發(fā)現(xiàn)的這對(duì)細(xì)胞。 為了確定這一點(diǎn)，將這對(duì)特殊的細(xì)胞（在三帶黑豹蠕蟲(chóng)中稱為3a/3b）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 為了成為neoblast，這些細(xì)胞必須滿足干細(xì)胞的所有已知特性。 這些細(xì)胞的后代在再生過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生新的組織嗎？ 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，是的，只有這些細(xì)胞的后代在再生過(guò)程中產(chǎn)生了新的組織。

另一個(gè)決定性的特性是干細(xì)胞的基因表達(dá)水平，它必須有數(shù)百個(gè)基因表達(dá)。為了確定3a/3b 是否符合這一特性，研究人員將發(fā)出紅色熒光的3a/3b 后代細(xì)胞和所有發(fā)出綠色熒光的其他細(xì)胞的后代細(xì)胞，用一臺(tái)分選一起將它們分開(kāi)。 隨后應(yīng)用單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)來(lái)研究哪些基因在發(fā)出紅色熒光的細(xì)胞和發(fā)出綠色熒光的細(xì)胞中表達(dá)。結(jié)果證實(shí)，在分子水平上，只有3a/3b 細(xì)胞的后代細(xì)胞與干細(xì)胞匹配，而任何其他細(xì)胞的后代細(xì)胞則不能。 也就是研究人員找到了aPSC 群體的細(xì)胞來(lái)源。

該研究揭示了一組基因，它們可能是形成干細(xì)胞的非常重要的控制者。 這些基因的同源物在人類干細(xì)胞中具有重要的作用，這說(shuō)明它們是跨物種的。