摘要：在哈佛大学有机体和进化生物学系的一项新的细胞研究中，研究人员已经确定了在Hofstenia miami中形成成年多能干细胞的细胞机制和分子轨迹。
干细胞是生物学上的奇迹。它们可以修复、恢复、替换和再生细胞。在大多数动物和人类中，这些细胞仅限于再生它们所分配的细胞类型。所以，头发干细胞只会制造头发。肠干细胞只会制造肠。但是，许多远亲无脊椎动物的干细胞群在成年动物中是多能的，这意味着它们几乎可以再生任何缺失的细胞类型，这一过程被称为全身再生。
尽管这些成体多能干细胞(aPSCs)存在于许多不同类型的动物(如海绵、水螅、涡虫、扁虫和一些海鞘)中，但它们是如何形成的机制在任何物种中都不清楚。
在一项新的研究种，哈佛大学生物和进化生物学系的研究人员已经确定了Hofstenia miami中aPSCs形成的细胞机制和分子轨迹．
图1 Hofstenia miami 图源:Mansi Srivastava和Kathleen Mazza-Curll
Hofstenia miami也被称为三斑黑豹蠕虫，是一种可以使用称为“neoblasts”的aPSCs完全再生的物种。这种动物被分成几块，每一块都会长出一个新的身体，包括从嘴巴到大脑的一切。资深作者Mansi Srivastava教授多年前就收集h . miamia，因为在该领域其再生能力。一旦回到实验室，h . miamia开始产生许多易于研究的胚胎。
Srivastava和他的合著者Lorenzo Ricci在之前的一项研究中开发了一种用于转基因的方案。转基因是一个过程，它将一些东西引入生物体的基因组，而这些东西通常不属于该基因组的一部分。这种方法让另一位作者Julian O. Kimura(22岁博士)能够继续研究这些干细胞是如何形成的问题。
Kimura说:“能够再生的动物的一个共同特征是成年体内存在多能干细胞。”“当动物受伤时，这些细胞负责重新制造缺失的身体部位。通过了解动物的喜好，我觉得我们可以更好地理解是什么赋予了某些动物再生能力。”
成年动物中这些干细胞群有一些统一的特征，比如一种名为Piwi的基因的表达。但到目前为止，还没有人能够弄清楚这些干细胞最初是如何产生的。Srivastava说:“它们主要是在成年动物的背景下研究的，在一些物种中，我们对它们的工作原理有一点了解，但我们不知道它们是如何形成的。”
研究人员知道蠕虫幼体含有aPSCs，因此推断它们一定是在胚胎发生过程中产生的。利玛窦利用转基因技术创造了一种细胞系，通过将Kaede蛋白引入细胞，使胚胎细胞发出荧光绿色。Kaede是光可转换的，这意味着用特定波长的激光束照射绿色，将其转换为红色。然后你可以用激光照射这些细胞，将胚胎的单个绿色细胞变成红色。
Srivastava说:“利用具有光转换功能的转基因动物是我们在实验室设计的一种非常新的方法，可以弄清楚胚胎细胞的命运。”木村将这种方法应用于进行谱系追踪，让胚胎生长并观察发生了什么。
Kimura跟踪了胚胎从单细胞分裂到多细胞的发育过程。这些细胞的早期分裂以定型分裂为标志，这意味着胚胎细胞以完全相同的模式分裂，这样细胞就可以被命名和研究一致。这就提出了一种可能性，也许每个细胞都有独特的用途。例如，在8个细胞阶段，左上角的细胞可能生成某种组织，而右下角的细胞则生成另一种组织。
为了确定每个细胞的功能，Kimura对早期胚胎的每个细胞进行了系统的光转换，在八细胞阶段创建了完整的命运图。然后，他跟踪这些细胞，直到蠕虫长大成人，仍然带有红色标签。在许多胚胎中反复跟踪每个细胞的过程使木村能够追踪每个细胞的工作位置。
图2 新生代细胞形成的分子轨迹（图源：[2]）
在16个细胞阶段的胚胎中，他发现了一对非常特殊的细胞，这对细胞产生了看起来像新细胞的细胞。“这真的让我们很兴奋，但仍有可能新细胞是由早期胚胎的多种来源产生的，而不仅仅是在16个细胞阶段发现的两对。发现在外观上与新细胞相似的细胞并不能明确证明它们确实是新细胞，我们需要证明它们的行为也像新细胞。”
Kimura把这组被称为3a/3b的细胞放了进去。为了成为新细胞，这些细胞必须满足干细胞的所有已知特性。这些细胞的后代在再生过程中会产生新的组织吗?研究人员发现，是的，只有这些细胞的后代在再生过程中产生了新的组织。
另一个决定性的特性是干细胞中的基因表达水平，干细胞必须表达数百个基因。为了确定3a/3b是否符合这一特性，Kimura选取了3a/3b发光的红色细胞和所有其他发光的绿色细胞的后代，并使用分选机将红色和绿色细胞分开。然后，他应用单细胞测序技术来研究在红色细胞和绿色细胞中分别表达了哪些基因。该数据证实，在分子水平上，只有3a/3b细胞的子代与干细胞匹配，而不是任何其他细胞的子代。
Kimura说:“这最终证实了我们在我们的系统中找到了干细胞群的细胞来源。”“但重要的是，了解干细胞的细胞来源现在让我们有办法在细胞成熟时捕获它们，并确定哪些基因参与了制造它们。”
Kimura在单细胞水平上生成了一个巨大的胚胎发育数据集，详细说明了从胚胎发育的开始到结束，哪些基因在胚胎的所有细胞中表达。他允许转化后的3a/3b细胞进一步发育，但不是一直发育到孵化阶段。然后他利用分选技术捕获了这些细胞。通过这样做，木村可以清楚地定义哪些基因在制造干细胞的细胞谱系中被特别表达。
Kimura说:“我们的研究揭示了一组基因，它们可能是干细胞形成的非常重要的控制者。”“这些基因的同源物在人类干细胞中发挥着重要作用，这与物种有关。”
研究人员计划继续深入挖掘这些基因如何在干细胞中工作的机制Hofstenia miamia, 这将有助于我们了解大自然是如何进化出制造和维持多能干细胞的方法的。了解aPSCs的分子调控因子将使研究人员能够在不同物种间比较这些机制，揭示多能干细胞是如何在动物间进化的。
参考资料：
[1]Embryonic origins of adult pluripotent stem cells
摘要：在哈佛大学有机体和进化生物学系的一项新的细胞研究中，研究人员已经确定了在Hofstenia miami中形成成年多能干细胞的细胞机制和分子轨迹。
干细胞是生物学上的奇迹。它们可以修复、恢复、替换和再生细胞。在大多数动物和人类中，这些细胞仅限于再生它们所分配的细胞类型。所以，头发干细胞只会制造头发。肠干细胞只会制造肠。但是，许多远亲无脊椎动物的干细胞群在成年动物中是多能的，这意味着它们几乎可以再生任何缺失的细胞类型，这一过程被称为全身再生。
尽管这些成体多能干细胞(aPSCs)存在于许多不同类型的动物(如海绵、水螅、涡虫、扁虫和一些海鞘)中，但它们是如何形成的机制在任何物种中都不清楚。
在一项新的研究种，哈佛大学生物和进化生物学系的研究人员已经确定了Hofstenia miami中aPSCs形成的细胞机制和分子轨迹．
图1 Hofstenia miami 图源:Mansi Srivastava和Kathleen Mazza-Curll
Hofstenia miami也被称为三斑黑豹蠕虫，是一种可以使用称为“neoblasts”的aPSCs完全再生的物种。这种动物被分成几块，每一块都会长出一个新的身体，包括从嘴巴到大脑的一切。资深作者Mansi Srivastava教授多年前就收集h . miamia，因为在该领域其再生能力。一旦回到实验室，h . miamia开始产生许多易于研究的胚胎。
Srivastava和他的合著者Lorenzo Ricci在之前的一项研究中开发了一种用于转基因的方案。转基因是一个过程，它将一些东西引入生物体的基因组，而这些东西通常不属于该基因组的一部分。这种方法让另一位作者Julian O. Kimura(22岁博士)能够继续研究这些干细胞是如何形成的问题。
Kimura说:“能够再生的动物的一个共同特征是成年体内存在多能干细胞。”“当动物受伤时，这些细胞负责重新制造缺失的身体部位。通过了解动物的喜好，我觉得我们可以更好地理解是什么赋予了某些动物再生能力。”
成年动物中这些干细胞群有一些统一的特征，比如一种名为Piwi的基因的表达。但到目前为止，还没有人能够弄清楚这些干细胞最初是如何产生的。Srivastava说:“它们主要是在成年动物的背景下研究的，在一些物种中，我们对它们的工作原理有一点了解，但我们不知道它们是如何形成的。”
研究人员知道蠕虫幼体含有aPSCs，因此推断它们一定是在胚胎发生过程中产生的。利玛窦利用转基因技术创造了一种细胞系，通过将Kaede蛋白引入细胞，使胚胎细胞发出荧光绿色。Kaede是光可转换的，这意味着用特定波长的激光束照射绿色，将其转换为红色。然后你可以用激光照射这些细胞，将胚胎的单个绿色细胞变成红色。
Srivastava说:“利用具有光转换功能的转基因动物是我们在实验室设计的一种非常新的方法，可以弄清楚胚胎细胞的命运。”木村将这种方法应用于进行谱系追踪，让胚胎生长并观察发生了什么。
Kimura跟踪了胚胎从单细胞分裂到多细胞的发育过程。这些细胞的早期分裂以定型分裂为标志，这意味着胚胎细胞以完全相同的模式分裂，这样细胞就可以被命名和研究一致。这就提出了一种可能性，也许每个细胞都有独特的用途。例如，在8个细胞阶段，左上角的细胞可能生成某种组织，而右下角的细胞则生成另一种组织。
为了确定每个细胞的功能，Kimura对早期胚胎的每个细胞进行了系统的光转换，在八细胞阶段创建了完整的命运图。然后，他跟踪这些细胞，直到蠕虫长大成人，仍然带有红色标签。在许多胚胎中反复跟踪每个细胞的过程使木村能够追踪每个细胞的工作位置。
图2 新生代细胞形成的分子轨迹（图源：[2]）
在16个细胞阶段的胚胎中，他发现了一对非常特殊的细胞，这对细胞产生了看起来像新细胞的细胞。“这真的让我们很兴奋，但仍有可能新细胞是由早期胚胎的多种来源产生的，而不仅仅是在16个细胞阶段发现的两对。发现在外观上与新细胞相似的细胞并不能明确证明它们确实是新细胞，我们需要证明它们的行为也像新细胞。”
Kimura把这组被称为3a/3b的细胞放了进去。为了成为新细胞，这些细胞必须满足干细胞的所有已知特性。这些细胞的后代在再生过程中会产生新的组织吗?研究人员发现，是的，只有这些细胞的后代在再生过程中产生了新的组织。
另一个决定性的特性是干细胞中的基因表达水平，干细胞必须表达数百个基因。为了确定3a/3b是否符合这一特性，Kimura选取了3a/3b发光的红色细胞和所有其他发光的绿色细胞的后代，并使用分选机将红色和绿色细胞分开。然后，他应用单细胞测序技术来研究在红色细胞和绿色细胞中分别表达了哪些基因。该数据证实，在分子水平上，只有3a/3b细胞的子代与干细胞匹配，而不是任何其他细胞的子代。
Kimura说:“这最终证实了我们在我们的系统中找到了干细胞群的细胞来源。”“但重要的是，了解干细胞的细胞来源现在让我们有办法在细胞成熟时捕获它们，并确定哪些基因参与了制造它们。”
Kimura在单细胞水平上生成了一个巨大的胚胎发育数据集，详细说明了从胚胎发育的开始到结束，哪些基因在胚胎的所有细胞中表达。他允许转化后的3a/3b细胞进一步发育，但不是一直发育到孵化阶段。然后他利用分选技术捕获了这些细胞。通过这样做，木村可以清楚地定义哪些基因在制造干细胞的细胞谱系中被特别表达。
Kimura说:“我们的研究揭示了一组基因，它们可能是干细胞形成的非常重要的控制者。”“这些基因的同源物在人类干细胞中发挥着重要作用，这与物种有关。”
研究人员计划继续深入挖掘这些基因如何在干细胞中工作的机制Hofstenia miamia, 这将有助于我们了解大自然是如何进化出制造和维持多能干细胞的方法的。了解aPSCs的分子调控因子将使研究人员能够在不同物种间比较这些机制，揭示多能干细胞是如何在动物间进化的。
参考资料：
[1]Embryonic origins of adult pluripotent stem cells
