研究人员发现成人多能干细胞的胚胎起源

干细胞是一个生物学奇迹。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属的细胞类型。所以，头发干细胞只会制造头发。肠道干细胞只会制造肠道。但是，许多远缘无脊椎动物的干细胞群在成年动物中具有多能性，这意味着它们几乎可以再生任何缺失的细胞类型，这一过程称为全身再生。

尽管这些成体多能干细胞(aPSC)存在于许多不同类型的动物(例如海绵、水螅、真涡虫、无腔蠕虫和一些海鞘)中，但它们的制造机制在任何物种中都是未知的。

在《细胞》杂志的一项新研究中，哈佛大学生物与进化生物学系的研究人员确定了腔虫Hofsteniamiamia中aPSC形成的细胞机制和分子轨迹。

H.miamia，也称为三带豹蠕虫，是一种可以使用称为“新生细胞”的aPSC完全再生的物种。将H.miamia切成碎片，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MansiSrivastava教授多年前在野外收集了H.miamia，因为它具有再生能力。回到实验室后，H.miamia开始产生许多易于研究的胚胎。

Srivastava和合著者博士后研究员LorenzoRicci之前的一项研究开发了H.miamia转基因协议。转基因是将通常不属于该基因组的某些东西引入生物体基因组的过程。这种方法让主要作者JulianO.Kimura(22届博士)能够继续研究这些干细胞是如何产生的。

“可以再生的动物的一个共同特征是成年体内存在多能干细胞，”木村说。“当动物受伤时，这些细胞负责重新制造缺失的身体部位。通过了解像H.miamia这样的动物如何制造这些干细胞，我觉得我们可以更好地了解是什么赋予了某些动物再生能力。”

成年动物的这些干细胞群有一些统一的特征，例如一种叫做Piwi的基因的表达。但到目前为止，还没有人能够首先弄清楚这些干细胞是如何产生的。“它们主要是在成年动物的背景下进行研究的，”Srivastava说，“在某些物种中，我们对它们的工作方式略有了解，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aPSC，因此推断它们必须在胚胎发生过程中产生。Ricci使用转基因技术创建了一个细胞系，由于将蛋白质Kaede引入细胞，该细胞系导致胚胎细胞发出荧光绿光。Kaede是光可转换的，这意味着将具有非常特定波长的激光束照射在绿色上会将其转换为红色。然后，您可以用激光照射细胞，将胚胎的单个绿色细胞变成红色。

“使用具有光转换能力的转基因动物是我们在实验室设计的一个非常新的转折点，用于弄清楚胚胎细胞的命运，”Srivastava说。木村应用这种方法通过让胚胎生长并观察发生的情况来进行谱系追踪。

Kimura跟踪了胚胎从单细胞分裂为多细胞的发育过程。这些细胞的早期分裂以刻板分裂为标志，这意味着胚胎到胚胎细胞以完全相同的模式分裂，因此可以一致地命名和研究细胞。这提出了一种可能性，即也许每个细胞都有独特的用途。例如，在八细胞阶段，左上角的细胞可能会产生某种组织，而右下角的细胞可能会产生另一种组织。

为了确定每个细胞的功能，木村系统地对早期胚胎的每个细胞进行了光转换，在八细胞阶段创建了完整的命运图。然后，当蠕虫长成仍然带有红色标记的成虫时，他追踪了这些细胞。在许多胚胎中一次又一次地跟踪每个细胞的重复过程使Kimura能够追踪每个细胞在哪里工作。

在十六细胞阶段的胚胎中，他发现了一对非常特殊的细胞，这对细胞产生了看起来像是新生细胞的细胞。“这让我们非常兴奋，”Kimura说，“但新生细胞仍有可能在早期胚胎中由多种来源产生，而不仅仅是在十六细胞阶段发现的两对细胞。寻找在外观上与新生细胞相似的细胞并不是它们确实是新生细胞的确切证据，我们需要证明它们的行为也像新生细胞。”

可以肯定的是，Kimura对H.miamia中称为3a/3b的这组特定细胞进行了试验。为了成为新生细胞，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，只有那些细胞的后代在再生过程中会产生新的组织。

另一个决定性的特性是干细胞中的基因表达水平，它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呈红色发光且所有其他细胞呈绿色发光的后代，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询问，哪些基因在红细胞和绿细胞中表达。该数据证实，在分子水平上，只有3a/3b细胞的后代与干细胞匹配，而不是任何其他细胞的后代。

“这明确证实了我们在我们的系统中发现了干细胞群的细胞来源这一事实，”Kimura说。“但是，重要的是，了解干细胞的细胞来源现在为我们提供了一种在细胞成熟时捕获细胞并确定制造它们所涉及的基因的方法。”

Kimura在单细胞水平上生成了一个巨大的胚胎发育数据集，详细说明了从发育开始到发育结束，哪些基因在胚胎的所有细胞中表达。他让转化后的3a/3b细胞进一步发育，但没有一直发育到孵化阶段。然后，他使用分选技术捕获了这些细胞。通过这样做，木村可以清楚地确定哪些基因在制造干细胞的细胞谱系中被特异性表达。

“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，”Kimura说。“这些基因的同源物在人类干细胞中具有重要作用，这与物种相关。”

“朱利安开始在我的实验室想研究干细胞是如何在胚胎中产生的，”斯里瓦斯塔瓦说，“这是一个令人难以置信的故事，当他毕业时他已经弄明白了。”

研究人员计划继续深入研究这些基因如何在Hofsteniamiamia的干细胞中发挥作用的机制，这将有助于了解自然界如何进化出一种制造和维持多能干细胞的方式。了解aPSC的分子调节因子将使研究人员能够比较这些机制，从而揭示多能干细胞是如何在动物之间进化的。