首次鑒定出再生完整真渦蟲的成體多能性干細胞

來源：作者：人氣：-發表時間：2018-06-26 10:47:00【大中小】

在一項新的研究中，來自美國斯托瓦斯醫學研究所（Stowers Institute for Medical Research）的研究人員捕捉到一種能夠再生整個有機體的細胞。一個多世紀以來，科學家們目睹了這種細胞奇跡的影響，這使得諸如真渦蟲（planarian）之類的有機體能夠再生出切斷的頭部。但是在此之前，人們缺乏靶向追蹤這種細胞所需的工具，因而無法觀察它的行動和發現它的秘密。

如今，通過開創性地開發出將基因組學、單細胞分析、流式細胞術和成像結合在一起的技術，這些研究人員分離出這種具有顯著再生能力的細胞---一種得到長期研究的成體多能性干細胞的一個亞群，而且是在它發揮其出色的再生作用之前分離出來的。這些發現可能促進對真渦蟲等具有較強再生能力的有機體開展生物研究，而且也有助于對人類等具有較低再生能力的有機體開展再生醫學研究。相關研究結果發表在2018年6月14日的Cell期刊上，論文標題為“Prospectively Isolated Tetraspanin+ Neoblasts Are Adult Pluripotent Stem Cells Underlying Planaria Regeneration”。

圖片來自Sánchez Alvarado Lab。

論文通信作者、斯托瓦斯醫學研究所研究員Alejandro Sánchez Alvarado博士說，“這是首次前瞻性地分離出成體多能性干細胞。我們的發現基本上就是這不再是一個抽象概念：真正地存在一個細胞實體能夠讓已失去再生能力的動物恢復再生能力，而且如今這個細胞實體是活著地被純化出來的并且得到詳細的研究。”

每個多細胞有機體都是由單個細胞產生的：它經過分裂產生兩個相同的細胞，然后是四個，以此類推。在這些細胞中，每個細胞都含有完全相同的發生折疊的DNA鏈，并被認為是多能性的---這意味著它在體內能夠產生所有可能的細胞類型。但是在這個過程中，那些被稱作胚胎干細胞的起始細胞會讓它們自己接受一種不同的命運，并轉化為皮膚細胞、心臟細胞、肌肉細胞或其他的細胞類型。在人類中，出生后不存在已知的多能性干細胞。在真渦蟲中，多能性干細胞到成年時仍然存在，在那時，它們被稱作成體多能性干細胞或neoblast。科學家們認為neoblast擁有再生的秘密。

盡管neoblast自1800年代后期就成為科學研究的主題，但是科學家們僅在過去的幾十年中能夠利用功能性測定和分子技術來描述這個強大的細胞群體。這些研究工作已證實這個看起來同質的細胞群體實際上是不同細胞亞群的聚集體，其中每個細胞亞群具有不同的性質和不同的基因表達模式。

SánchezAlvarado說，“我們可能需要將一百多個細胞移植到盡可能多的真渦蟲中以便找到真正是多能性的并且能夠讓有機體再生的細胞。這需要開展很多研究工作，僅是為了找到一個真正符合neoblast的功能定義的細胞。如果我們想要通過鑒定這個細胞表達的基因而在分子水平上確定它的身份，那么我們為此必須破壞這個細胞。還沒有辦法做到這一點，同時又讓這個細胞活著以便在再生期間追蹤它。”

Sánchez Alvarado和他的團隊開始尋找一個能夠提前鑒定出這個難以捉摸的細胞的顯著特征。長期以來用于區分neoblast和其他細胞的一個特征是一種被稱作piwi-1的干細胞標志物，因此博士后研究員An Zeng博士決定從那里開始研究。首先，他將表達這種標志物的細胞與不表達這種標志物的細胞區分開來。他隨后注意到表達這種標志物的細胞能夠分成兩組---一組表達高水平表達piwi的細胞（適當地被稱為piwi-high細胞）和另一組表達低水平表達piwi的細胞（被稱為piwi-low細胞）。當Zeng研究過這兩個細胞群體中的成員時，他發現僅那些piwi-high細胞符合neoblast的分子定義。因此，他拋棄了piwi-low細胞。

Sánchez Alvarado說，“這種對基因表達和蛋白水平同時進行定量分析之前從未在真渦蟲中開展過。如果斯托瓦斯醫學研究所沒有很好的科學支持設施，包括分子生物學、流式細胞術、生物信息學和成像部門，我們不可能做到這一點。許多研究人員已假設所有表達piwi-1的細胞都是真正的neoblast，而且至于這種標志物的表達數量，這并不重要。我們證實這確實很重要。”

接下來，Zeng選擇了8000個左右的piwi-high細胞并分析了它們的基因表達模式。令他吃驚的是，這些細胞可分為12個不同的亞群。通過一種消除過程，Zeng排除了任何一個具有表明這些細胞分化為特定細胞（比如肌肉細胞或皮膚細胞）的遺傳特征的亞群。這給他留下了兩個仍然具有多能性的亞群，他將之命名為Nb1和Nb2。

Nb2亞群中的細胞表達一個編碼四次跨膜蛋白（tetraspanin）家族成員的基因，其中這個蛋白家族是進化上古老的仍未得到很好了解的蛋白，它們位于細胞表面上。Zeng開發出一種能夠結合到這個蛋白上的抗體，從而將這些細胞從其他據猜測是neoblast的混合物中分離出來。他隨后將單個純化的細胞移植到已遭受致命輻射劑量的真渦蟲中。這些細胞不僅重新定植在這些真渦蟲中并且拯救了它們，而且它們的穩健性要比利用舊方法純化出的細胞高14倍。

Sánchez Alvarado說，“我們富集了一個多能性干細胞群體，這為開展以前不可能開展的大量實驗打開了大門。我們發現的這個標志物不僅在真渦蟲中表達，而且也在人類中表達，這提示著我們能夠利用一些保守的機制。”

參考資料：

An Zeng, Hua Li, Longhua Guo et al. Prospectively Isolated Tetraspanin+ Neoblasts Are Adult Pluripotent Stem Cells Underlying Planaria Regeneration. Cell, 14 June 2018, 173(7):1593–1608, doi:10.1016/j.cell.2018.05.00