Cell：揭示成体多能干细胞的胚胎起源

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。因此，毛发干细胞只会制造毛发。肠道干细胞只会制造肠道。但是，许多亲缘关系较远的无脊椎动物的干细胞群体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，这一过程称为全身再生（whole-body regeneration）。

尽管这些成体多能干细胞（adult pluripotent stem cell, aPSC）在许多不同类型的动物（比如海绵、水螅、真涡虫、阿克尓扁形虫和一些海鞘）中发现，但它们是如何形成的机制在任何物种中都不清楚。

在一项新的研究中，来自哈佛大学有机体与进化生物学系的研究人员确定了称为三带黑豹蠕虫（Hofstenia miamia）的阿克尓扁形虫中aPSC形成的细胞机制和分子轨迹。相关研究结果发表在2022年12月8日的Cell期刊上，论文标题为“Embryonic origins of adult pluripotent stem cells”。

三带黑豹蠕虫是一种可以利用称为“neoblast”的aPSC完全再生的物种。将三带黑豹蠕虫切成碎片，每一块都会长出一个新的身体，包括从嘴巴到大脑的一切。论文通讯作者Mansi Srivastava教授多年前在野外收集了三带黑豹蠕虫，因为它具有再生能力。一旦回到实验室，三带黑豹蠕虫开始产生许多胚胎，可以很容易地进行研究。

Srivastava和论文共同作者、博士后研究员Lorenzo Ricci之前的一项研究开发了一种在三带黑豹蠕虫中进行基因转移的实验过程。基因转移是一个将通常不属于一种有机体基因组的基因引入该基因组的过程。这种方法使得论文第一作者Julian O. Kimura能够追求他的问题，即这些干细胞是如何产生的。

Kimura说，“在能够再生的动物中，一个共同的特点是在成年体内存在多能干细胞。这些细胞负责在动物受伤时重新制造缺失的身体部位。通过了解像三带黑豹蠕虫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让某些动物具有再生能力。”

成年动物的这些干细胞群体有一些相同的特征，比如表达一个叫Piwi的基因。但到目前为止，还没有人能够弄清楚这些干细胞首先是如何产生的。Srivastava 说，“它们大多是在成年动物的背景下被研究的，而且在一些物种中，针对它们可能如何发挥作用，我们知道一些，但我们不知道它们是如何形成的。”

这些作者知道蠕虫幼体含有aPSC，因此推断它们一定是在胚胎发育过程中产生的。Ricci使用转基因技术创造了一个品系。在该品系中，由于将蛋白Kaede引入胚胎细胞，使得该细胞发出绿色荧光。Kaede是可光转化的，这意味着用非常特定波长的激光束照射绿色荧光会将它转化为红色荧光。随后，可以用激光照射细胞，让胚胎中发出绿色荧光的细胞产生红色荧光。

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。”Kimura应用这种方法，通过让胚胎生长和观察所发生的事情来进行谱系追踪。

图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.11.008。

Kimura在胚胎从单细胞分裂到多细胞的过程中跟踪了它的发育。这些细胞的早期分裂以定型分裂（stereotyped cleavage）为标志，这意味着胚胎到胚胎细胞的分裂模式完全相同，从而可以一致地命名和研究细胞。这提出了一种可能性，即也许每一个细胞都有一个独特的目的。例如，在八细胞阶段，有可能左上角的细胞制造某种组织，而右下角的细胞则制造另一种组织。

为了确定每个细胞的功能，Kimura系统地对早期胚胎的每个细胞进行了光转换，在八细胞阶段构建了一个完整的命运图谱。然后，当三带黑豹蠕虫成长为一个仍然带有红色标签的成成体蠕虫时，他跟踪了这些细胞。在许多胚胎中反复跟踪每个细胞的过程使得Kimura有可能追踪每个细胞发挥作用的位置。

在16细胞阶段的胚胎中，他发现了一对非常特殊的细胞，它们产生了看起来是neoblast的细胞。Kimura说，“这真地让我们很兴奋，但仍有一种可能性，即neoblast来自早期胚胎的多个来源，而不仅仅是在16细胞阶段发现的这对细胞。找到在外观上类似于neoblast的细胞并不是它们真地是neoblast的确切证据，我们需要证明它们的行为也像neoblast。”

为了确定这一点，Kimura将这对特殊的细胞（在三带黑豹蠕虫中称为3a/3b）进行实验。为了成为neoblast，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？这些作者发现，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的基因表达水平，它必须有数百个基因表达。为了确定3a/3b是否符合这一特性，Kimura将发出红色荧光的3a/3b后代细胞和所有发出绿色荧光的其他细胞的后代细胞，用一台分选一起将它们分开。他随后应用单细胞测序技术来研究哪些基因在发出红色荧光的细胞和发出绿色荧光的细胞中表达。他们的数据证实，在分子水平上，只有3a/3b细胞的后代细胞与干细胞匹配，而任何其他细胞的后代细胞则不能。

Kimura说，“这是明确的确认，我们在我们的系统中找到了aPSC群体的细胞来源。但是，重要的是，知道了干细胞的细胞来源后，我们就有办法在细胞成熟时捕捉它们，并确定哪些基因参与了它们的产生。”

Kimura在单细胞水平上构建了一个巨大的胚胎发育数据集，详细说明了从发育开始到结束，哪些基因在胚胎的所有细胞中表达。他允许光转换后的3a/3b细胞进一步发育，但不是一直发育到孵化阶段。然后他使用分选技术捕获这些细胞。通过这样做，他可以清楚地确定哪些基因在产生这些干细胞的细胞系中特异性表达。

Kimura说，“我们的研究揭示了一组基因，它们可能是形成干细胞的非常重要的控制者。这些基因的同源物在人类干细胞中具有重要的作用，这说明它们是跨物种的。”

Srivastava说，“Kimura在我的实验室开始时想研究干细胞是如何在胚胎中形成的，他毕业时就找到了答案，这是一个了不起的的故事。”

这些作者计划继续深入挖掘这些基因在三带黑豹蠕虫的干细胞中如何发挥作用的机制，这将有助于告诉人们自然界是如何进化出一种制造和维持多能干细胞的方式。了解aPSC的分子调节物将使得科学家们能够跨物种比较这些机制，以便揭示多能干细胞是如何在不同动物中进化的。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Julian O. Kimura et al. Embryonic origins of adult pluripotent stem cells. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.11.008.

2. Researchers discover embryonic origins of adult pluripotent stem cells
https://phys.org/news/2022-12-embryonic-adult-pluripotent-stem-cells.html