《细胞》：切碎能再生，哈佛科学家揭开神奇生物的干细胞形成之谜

原创 学术经纬 学术经纬 2022-12-11 08:02 发表于北京

三斑黑豹蠕虫是一种非常不起眼的小蠕虫，生活在海底软泥中，但它们却是地球上再生能力最强的动物之一：整个头被砍掉，没多久就能长出一颗新头，嘴巴、神经系统俱全；甚至全身切成碎片，每一块都可以长出完整的个体。

三斑黑豹蠕虫（Hofstenia miamia）（图片来源：参考资料[2]；Credit：Mansi Srivastava & Kathleen Mazza-Curll）

超强的再生能力引起了科学家的极大好奇。哈佛大学的Mansi Srivastava教授多年前在野外采集到三斑黑豹蠕虫后，开始在实验室进行培养。通过全基因组测序和转基因技术等，Srivastava教授希望这种小动物可以向人类透露再生的秘密。

学术经纬相关阅读：砍头都死不掉的小东西，再生的秘密就藏在它们体内

“具备再生能力的动物有一个共同特点是体内存在着成体多能干细胞（aPSC）。”在Srivastava课题组研究干细胞的博士生Julian O. Kimura说。

我们知道，干细胞具有分化潜力，可以修复、替换各种类型的细胞，重新制造缺失的身体部位。不过，在包括人类在内的大多数动物中，成体干细胞只限于再生特定类型的细胞，比如毛囊干细胞只能制造毛发，肠道干细胞只会为肠道提供补充。三斑黑豹蠕虫以及许多其他无脊椎动物（如海绵、水螅、海星等），成年个体拥有的多能干细胞，几乎能够再生任何类型的细胞。

在这篇《细胞》杂志刚刚上线的研究论文中，研究团队便以三斑黑豹蠕虫为例，从发育起源的角度，揭示了成年多能干细胞是怎么产生的。

为了找出多能干细胞的发育轨迹，研究人员首先基于之前开发的新技术，让蠕虫的胚胎细胞发出绿色荧光，再用激光照射其中某一个或某几个细胞，则可以使之变成红色。利用这种方法，研究人员在胚胎刚刚发育到8个细胞的早期阶段，逐一改变了每个细胞的颜色，追踪它们分裂产生的细胞后代。

通过转换荧光颜色，研究人员逐个追踪胚胎中每个细胞的发育轨迹（图片来源：参考资料[2] ；Credit：Julian Kimura）

胚胎发育到16个细胞的阶段，Kimura注意到一对特殊的细胞，从分布特征等外观来看，它们很像成新细胞（neoblast），也就是未分化的全能细胞。进一步追踪发现，唯有这对细胞产生的后代细胞会在再生期间制造新组织，这种能力显示了它们具有干细胞属性。

不仅如此，研究人员分析了这对细胞的基因表达水平，来确认是否具有已知的多能干细胞基因表达特征。为此，研究人员把这对发红光的细胞的后代和所有其他发绿光的细胞分开，分别用单细胞测序技术检测两组细胞表达的基因。这组实验提供的数据进一步证实，16细胞期的这对细胞就是成体多能干细胞的源头。

红色标记了胚胎16细胞期的两个细胞，它们分裂产生的细胞迁移至胚胎内部，成为干细胞（图片来源：参考资料[2] ；Credit：Julian Kimura）

“现在，我们知道了干细胞的细胞来源，接下来就有办法在细胞成熟过程中抓住它们，确定哪些基因参与了干细胞制造。”Kimura说到。

研究团队由此创建了一个单细胞水平的胚胎发育数据集，详细说明了从胚胎发育开始到结束的整个阶段，哪些基因在所有细胞中表达，以及哪些基因在制造干细胞的细胞谱系中有特殊的表达。

研究示意图（图片来源：参考资料[1]）

最终研究人员锁定了一组基因，包括转录因子Hes、FoxO和Tbx等，可能是形成多能干细胞的重要控制者。研究人员指出，这组基因的同源物在人类干细胞中也有重要作用，它们起作用的方式可能在不同物种中具有共性。

因此，研究人员表示他们将继续探索这些基因如何在三斑黑豹蠕虫的干细胞中工作，深入挖掘产生和维持多能干细胞的分子机制，以及多能干细胞在不同物种中是如何演化。

参考资料：

[1] Julian O. Kimura et al., Embryonic origins of adult pluripotent stem cells. Cell Doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.11.008

[2] Harvard researchers discover embryonic origins of adult pluripotent stem cells. Retrieved Dec. 8, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/973580