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Science:揭示动物组织再生蓝图

来源:本站原创 2018-03-21 23:26

2018年3月21日/生物谷BIOON/---在一项新的研究中,来自美国怀特海德研究所的研究人员描述了一种关于真涡虫(planarian)眼睛再生的模型:真涡虫的眼睛再生受到同时发挥作用的三个原则的调控,这有助了解真涡虫的祖细胞如何在再生中发挥功能。这种模型涉及位置线索;吸引祖细胞到现存结构的自组织(self-organization);起源自分散的空间区域而不是起源自精确位置的祖细胞,从而给它们的迁移路径提供灵活性。这三个原则似乎确定着祖细胞在再生期间如何决定迁移到何处进行形态和功能重建,并且它们让我们从系统水平上理解这个过程更接近一步。相关研究结果于2018年3月15日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Self-organization and progenitor targeting generate stable patterns in planarian regeneration”。论文通信作者为怀特海德研究所研究院、麻省理工学院生物学教授和霍华德休斯医学研究所研究员Peter Reddien博士。
图片来自Kutay Deniz Atabay/Whitehead Institute。

从以前的研究中,这些研究人员已了解到干细胞可能会读取来自周围组织的指令来指导它们的迁移路径,而且很明显的是,这个过程在再生过程中面临一些严重的挑战。Reddien说,“我们意识到位置信息必须发生变化;它需要在再生过程中改变以便确定新的需要再生的缺失部分。这种修正后的位置信息随后能够指导祖细胞选择所要产生的新结构,并且在正确的位置上经过分化后产生正确的结构。然而,一个谜团产生了。鉴于在遭受损伤后,位置信息在再生过程中发生变化,因此位置信息模式与剩余的解剖结构模式之间存在不匹配。认识到这种不匹配引发我们开展这项研究。我们想要理解产生特定组织的干细胞如何决定迁移到哪里并进行分化。它是基于解剖结构还是基于位置信息?当这两者不一致时,它们如何作出决定?”

Reddien和他的实验室花了十多年的时间利用一种被称作真涡虫的小扁虫来揭示再生之谜。如果一个真涡虫的头部被截断,或者它的一侧被切除,那么它的每一部分(比如它的被截断的头部和剩余的部分)都会再生出整个动物。为了理解祖细胞在动物再生的嘈杂环境中如何决定迁移到哪里,这些研究人员使用了真涡虫的眼睛,它是一个肉眼看得见的器官,该器官足够小以至于可在不会产生严重损伤的情况下将它切除,此外,它还含有人们已确定的祖细胞分子标志物。

这些研究人员设计了一个简单的实验来解决这些祖细胞如何决定迁移到哪里的问题:截断真涡虫的头部,接着在三天后从这个被截断的头部部分移除一只眼睛。他们发现祖细胞会在位于剩余的一只眼睛的前面开始形成一只新的眼睛,而不是在解剖结构确定的“正确”位置(与剩余的这只眼睛相对称的位置)上形成一只新的眼睛。但是,如果在更早的时候---与头部截断的同一天而不是在三天后---从被截断的头部部分移除一只眼睛,然后开展相同的实验,那么会产生不同的结果:新的眼睛在与剩下的一只眼睛相对称的位置---也就是身体结构的“正确”位置---上开始形成,这提示着当多种选择存在冲突时,解剖结构的自组装动力学取胜。

这些简单的规则指导这种动物成功再生,并且当它的再生潜能被最大限度地挖掘时会产生替代性的稳定的解剖结构形态:产生具有三只眼睛、四只眼睛或五只眼睛的真涡虫。切除这种动物的一侧并且截断它的头部能够让它的祖细胞足够远地远离现有的眼睛,从而允许在头部部分中开始形成第三只眼睛。论文第一作者、Reddien实验室研究生Kutay Deniz Atabay 说,“如果这些迁移的祖细胞离现有的眼睛太近的话,就会像黑洞一样吸入它们;如果它们相隔足够远的话,那么它们能够逃避这种吸入。”

当这些研究人员对具有三只眼睛的真涡虫进行同样的切除手术时,它的祖细胞逃避现有眼睛的吸引并产生具有五只眼睛的真涡虫。无论是哪一种情形,所有的眼睛都被功能性地整合到大脑中,并呈现出相同的真涡虫眼睛避光反应。他们还观察到,这些替代性的解剖结构形态能够持续存在,这就揭示出维持现有的解剖结构和替代性的解剖结构的规则。Atabay说,“这有助于解释动物再生的一个基本问题,这就是迁移性的祖细胞如何作出导致动物再生和维持器官的选择。”

Reddien说,“这项研究提出一个关于再生的框架:相互竞争的力量:自组织和外在线索影响着祖细胞在再生中的靶向迁移;这两种力量共同决定着最终的结果。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Kutay Deniz Atabay, Samuel A. LoCascio, Thom de Hoog et al. Self-organization and progenitor targeting generate stable patterns in planarian regeneration. Science, Published online:15 Mar 2018, doi:10.1126/science.aap8179

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