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作者：Mia
導讀：具備再生能力的動物的一個共同特徵是成年體內存在多能幹細胞。當動物受傷時，這些細胞負責重新製造缺失的身體部位。
幹細胞是一個生物學奇蹟，它們可以修復、恢復、替換和再生細胞。在大多數動物和人類中，這些細胞僅限於再生它們所分配的細胞類型，如毛囊幹細胞只會再生頭髮，腸道幹細胞只會補充腸道。
但是，許多遠親無脊椎動物的幹細胞群在成年動物中是多能的，這意味着它們幾乎可以再生任何缺失的細胞，這一過程被稱為全身再生。儘管這些成體多能幹細胞(aPSCs)存在於許多不同類型的動物(如海綿、水螅、渦蟲、扁蟲和一些海鞘)中，但它們再生的機制仍不清楚。
近日，哈佛大學有機體和進化生物學系在Cell期刊發表的一項研究中，研究人員確定了三斑黑豹蠕蟲（Hofstenia miamia）形成成體多能幹細胞的細胞機制和分子軌跡。
DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.11.008
全身切碎能再生
01
三斑黑豹蠕蟲是一種海洋動物，學術名為Hofstenia miamia，它是有史以來全身再生能力最強的動物之一。砍掉三斑黑豹蠕蟲的頭，另一顆頭就會取而代之；剪掉它的尾巴，它會再長出一條來。把蠕蟲切成三塊，無論是對角斜切還是橫切，不出八個星期，就會有三隻完全成形的蠕蟲。
研究人員表示，具備再生能力的動物的一個共同特徵是成年體內存在多能幹細胞。當動物受傷時，這些細胞負責重新製造缺失的身體部位。通過了解像三斑黑豹蠕蟲這樣的動物如何製造這些幹細胞，可以更好地了解是什麼賦予了某些動物再生能力。
研究的資深作者Mansi Srivastava教授多年前在野外收集了三斑黑豹蠕蟲。在回到實驗室後，他開始製作許多易於研究的胚胎。Srivastava和博士後研究員Lorenzo Ricci在之前的一項研究中開發了一種在H. miami中的轉基因方案，這種方法讓首席作者Julian O. Kimura能夠繼續研究這些幹細胞是如何形成的問題。
追蹤胚胎髮育過程
02
研究人員推斷蠕蟲幼體含有的成體多能幹細胞一定是在胚胎髮生過程中產生的。Ricci利用轉基因技術創造了一種細胞系，通過將Kaede蛋白引入細胞，使胚胎細胞發出熒光綠色。Kaede是光可轉換的，也就是說可以用特定波長的激光束照射綠色，將其轉換為紅色。因此可以用激光照射這些細胞，將胚胎的單個綠色細胞變成紅色。
圖像顯示胚胎的單細胞是如何具體而系統地轉化為紅色的
隨後，Kimura跟蹤了胚胎從單細胞分裂到多細胞的發育過程。這些細胞的早期分裂以定型分裂為標誌，這說明胚胎細胞以完全相同的模式分裂，這樣就可以對細胞進行一致的命名和研究。這也提出了一種可能性，也許每個細胞都有獨特的用途。例如，在八細胞期，左上角的細胞可能生成某種組織，而右下角的細胞則生成另一種組織。
8細胞期胚胎的單個細胞轉變為紅色
為了確定每個細胞的功能，Kimura對早期胚胎的每個細胞進行了系統的光轉換，在八細胞期創建了完整的命運圖。在16細胞期的胚胎中，他發現了一對非常特殊的細胞，這對細胞產生了看起來像neoblasts（即成體未分化細胞）的細胞。
為了證明它們產生的是neoblasts，Kimura對這組特殊的細胞進行了試驗，命名為3a/3b。他發現，只有這些細胞的後代在再生過程中產生了新的組織。此外，另一個決定性的特性是幹細胞中的基因表達水平，幹細胞必須表達數百個基因。為了確定3a/3b是否符合這一特性，Kimura選取了3a/3b發光的紅色細胞和所有其他發光的綠色細胞的後代，並使用分選機將紅色和綠色細胞分開。然後，他應用單細胞測序技術來研究在紅色細胞和綠色細胞中分別表達了哪些基因。該數據證實，在分子水平上，只有3a/3b細胞的子代與幹細胞匹配。
鎖定了一組基因
03
Kimura表示：「這最終證實了我們在我們的系統中找到了幹細胞群的細胞來源。但重要的是，了解幹細胞的細胞來源能夠讓我們在細胞成熟時捕獲它們，並確定哪些基因參與了製造它們。」Kimura在單細胞水平上生成了一個巨大的胚胎髮育數據集，詳細說明了從胚胎髮育的開始到結束，哪些基因在胚胎的所有細胞中表達。
研究人員最終鎖定了一組基因，包括轉錄因子Hes、FoxO和Tbx，它們可能是多能幹細胞形成的非常重要的控制者，並且這些基因的同源物在人類幹細胞中發揮着重要作用。研究人員計劃繼續深入挖掘這些基因在三斑黑豹蠕蟲幹細胞中的工作機制，以揭示大自然是如何進化出製造和維持多能幹細胞的方法的。總之，了解aPSCs的分子調控因子將使研究人員能夠在不同物種間比較這些機制，揭示多能幹細胞是如何在動物間進化的。
參考資料：
https://www.eurekalert.org/news-releases/973580
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01420-9#%20
註：本文旨在介紹醫學研究進展，不能作為治療方案參考。如需獲得健康指導，請至正規醫院就診。
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