在一項(xiàng)新的研究中，來自美國(guó)斯托瓦斯醫(yī)學(xué)研究所（Stowers Institute for Medical Research）的研究人員捕捉到一種能夠再生整個(gè)有機(jī)體的細(xì)胞。一個(gè)多世紀(jì)以來，科學(xué)家們目睹了這種細(xì)胞奇跡的影響，這使得諸如真渦蟲（planarian）之類的有機(jī)體能夠再生出切斷的頭部。但是在此之前，人們?nèi)狈Π邢蜃粉欉@種細(xì)胞所需的工具，因而無法觀察它的行動(dòng)和發(fā)現(xiàn)它的秘密。

如今，通過開創(chuàng)性地開發(fā)出將基因組學(xué)、單細(xì)胞分析、流式細(xì)胞術(shù)和成像結(jié)合在一起的技術(shù)，這些研究人員分離出這種具有顯著再生能力的細(xì)胞---一種得到長(zhǎng)期研究的成體多能性干細(xì)胞的一個(gè)亞群，而且是在它發(fā)揮其出色的再生作用之前分離出來的。這些發(fā)現(xiàn)可能促進(jìn)對(duì)真渦蟲等具有較強(qiáng)再生能力的有機(jī)體開展生物研究，而且也有助于對(duì)人類等具有較低再生能力的有機(jī)體開展再生醫(yī)學(xué)研究。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年6月14日的Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Prospectively Isolated Tetraspanin+ Neoblasts Are Adult Pluripotent Stem Cells Underlying Planaria Regeneration”。

 

論文通信作者、斯托瓦斯醫(yī)學(xué)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(xì)胞。我們的發(fā)現(xiàn)基本上就是這不再是一個(gè)抽象概念：真正地存在一個(gè)細(xì)胞實(shí)體能夠讓已失去再生能力的動(dòng)物恢復(fù)再生能力，而且如今這個(gè)細(xì)胞實(shí)體是活著地被純化出來的并且得到詳細(xì)的研究。”

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

盡管neoblast自1800年代后期就成為科學(xué)研究的主題，但是科學(xué)家們僅在過去的幾十年中能夠利用功能性測(cè)定和分子技術(shù)來描述這個(gè)強(qiáng)大的細(xì)胞群體。這些研究工作已證實(shí)這個(gè)看起來同質(zhì)的細(xì)胞群體實(shí)際上是不同細(xì)胞亞群的聚集體，其中每個(gè)細(xì)胞亞群具有不同的性質(zhì)和不同的基因表達(dá)模式。

SánchezAlvarado說，“我們可能需要將一百多個(gè)細(xì)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(jī)體再生的細(xì)胞。這需要開展很多研究工作，僅是為了找到一個(gè)真正符合neoblast的功能定義的細(xì)胞。如果我們想要通過鑒定這個(gè)細(xì)胞表達(dá)的基因而在分子水平上確定它的身份，那么我們?yōu)榇吮仨毱茐倪@個(gè)細(xì)胞。還沒有辦法做到這一點(diǎn)，同時(shí)又讓這個(gè)細(xì)胞活著以便在再生期間追蹤它。”

Sánchez Alvarado和他的團(tuán)隊(duì)開始尋找一個(gè)能夠提前鑒定出這個(gè)難以捉摸的細(xì)胞的顯著特征。長(zhǎng)期以來用于區(qū)分neoblast和其他細(xì)胞的一個(gè)特征是一種被稱作piwi-1的干細(xì)胞標(biāo)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(dá)這種標(biāo)志物的細(xì)胞與不表達(dá)這種標(biāo)志物的細(xì)胞區(qū)分開來。他隨后注意到表達(dá)這種標(biāo)志物的細(xì)胞能夠分成兩組---一組表達(dá)高水平表達(dá)piwi的細(xì)胞（適當(dāng)?shù)乇环Q為piwi-high細(xì)胞）和另一組表達(dá)低水平表達(dá)piwi的細(xì)胞（被稱為piwi-low細(xì)胞）。當(dāng)Zeng研究過這兩個(gè)細(xì)胞群體中的成員時(shí)，他發(fā)現(xiàn)僅那些piwi-high細(xì)胞符合neoblast的分子定義。因此，他拋棄了piwi-low細(xì)胞。

Sánchez Alvarado說，“這種對(duì)基因表達(dá)和蛋白水平同時(shí)進(jìn)行定量分析之前從未在真渦蟲中開展過。如果斯托瓦斯醫(yī)學(xué)研究所沒有很好的科學(xué)支持設(shè)施，包括分子生物學(xué)、流式細(xì)胞術(shù)、生物信息學(xué)和成像部門，我們不可能做到這一點(diǎn)。許多研究人員已假設(shè)所有表達(dá)piwi-1的細(xì)胞都是真正的neoblast，而且至于這種標(biāo)志物的表達(dá)數(shù)量，這并不重要。我們證實(shí)這確實(shí)很重要。”

接下來，Zeng選擇了8000個(gè)左右的piwi-high細(xì)胞并分析了它們的基因表達(dá)模式。令他吃驚的是，這些細(xì)胞可分為12個(gè)不同的亞群。通過一種消除過程，Zeng排除了任何一個(gè)具有表明這些細(xì)胞分化為特定細(xì)胞（比如肌肉細(xì)胞或皮膚細(xì)胞）的遺傳特征的亞群。這給他留下了兩個(gè)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(xì)胞表達(dá)一個(gè)編碼四次跨膜蛋白（tetraspanin）家族成員的基因，其中這個(gè)蛋白家族是進(jìn)化上古老的仍未得到很好了解的蛋白，它們位于細(xì)胞表面上。Zeng開發(fā)出一種能夠結(jié)合到這個(gè)蛋白上的抗體，從而將這些細(xì)胞從其他據(jù)猜測(cè)是neoblast的混合物中分離出來。他隨后將單個(gè)純化的細(xì)胞移植到已遭受致命輻射劑量的真渦蟲中。這些細(xì)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(wěn)健性要比利用舊方法純化出的細(xì)胞高14倍。

Sánchez Alvarado說，“我們富集了一個(gè)多能性干細(xì)胞群體，這為開展以前不可能開展的大量實(shí)驗(yàn)打開了大門。我們發(fā)現(xiàn)的這個(gè)標(biāo)志物不僅在真渦蟲中表達(dá)，而且也在人類中表達(dá)，這提示著我們能夠利用一些保守的機(jī)制。”