成体多能干细胞的胚胎起源或被揭示

据Kimura JO 2022 年12 月8 日[Cell，2022，185（25）：4756-4769.e13.]报道，美国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）的阿克尓扁形虫中成体多能干细胞（aPSC），形成的细胞机制和分子轨迹。

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）中被发现，但它们是如何形成的机制在任何物种中都不清楚。

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。 因此研究人员将蛋白Kaede 引入三带黑豹蠕虫胚胎细胞，使得该细胞发出绿色荧光。 利用Kaede可光转化特性，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。 研究人员应用这种方法，通过让胚胎生长和观察所发生的事情来进行谱系追踪。 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8 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， 研究人员系统地对早期胚胎的每个细胞进行了光转换， 在8 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，再跟踪了这些细胞。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。 但怀疑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。 为了确定这一点，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？ 结果发现，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，研究人员将发出红色荧光的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。 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。结果证实，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。 也就是研究人员找到了aPSC 群体的细胞来源。

该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。