據(jù)Kimura JO 2022 年12 月8 日[Cell，2022，185（25）：4756-4769.e13.]報道，美國哈佛大學(xué)有機體與進化生物學(xué)系的研究人員確定了稱為三帶黑豹蠕蟲（Hofstenia miamia）的阿克尓扁形蟲中成體多能干細(xì)胞（aPSC），形成的細(xì)胞機制和分子軌跡。

干細(xì)胞是生物學(xué)上的奇跡。 它們可以修復(fù)、恢復(fù)、替換和再生細(xì)胞。 在大多數(shù)動物和人類中，這些細(xì)胞僅限于再生它們所分配的細(xì)胞類型。 因此，毛發(fā)干細(xì)胞只會制造毛發(fā)。 腸道干細(xì)胞只會制造腸道。 但是，許多親緣關(guān)系較遠的無脊椎動物的干細(xì)胞群體在成年動物中是多能的，這意味著它們幾乎可以再生任何缺失的細(xì)胞類型，這一過程稱為全身再生（whole-body regeneration）。

盡管這些aPSC 在許多不同類型的動物（比如海綿、水螅、真渦蟲、阿克尓扁形蟲和一些海鞘）中被發(fā)現(xiàn)，但它們是如何形成的機制在任何物種中都不清楚。

三帶黑豹蠕蟲是一種可以利用稱為“neoblast”的aPSC 完全再生的物種。 將三帶黑豹蠕蟲切成碎片，每一塊都會長出一個新的身體，包括從嘴巴到大腦的一切。 因此研究人員將蛋白Kaede 引入三帶黑豹蠕蟲胚胎細(xì)胞，使得該細(xì)胞發(fā)出綠色熒光。 利用Kaede可光轉(zhuǎn)化特性，用非常特定波長的激光束照射綠色熒光會將它轉(zhuǎn)化為紅色熒光。 隨后，可以用激光照射細(xì)胞，讓胚胎中發(fā)出綠色熒光的細(xì)胞產(chǎn)生紅色熒光。 研究人員應(yīng)用這種方法，通過讓胚胎生長和觀察所發(fā)生的事情來進行譜系追蹤。 在胚胎從單細(xì)胞分裂到多細(xì)胞的過程中跟蹤了它的發(fā)育。這些細(xì)胞的早期分裂以定型分裂（stereotyped cleavage）為標(biāo)志，這意味著胚胎到胚胎細(xì)胞的分裂模式完全相同，從而可以一致地命名和研究細(xì)胞。這提出了一種可能性，即也許每一個細(xì)胞都有一個獨特的目的。例如在8 細(xì)胞階段，有可能左上角的細(xì)胞制造某種組織，而右下角的細(xì)胞則制造另一種組織。

為了確定每個細(xì)胞的功能， 研究人員系統(tǒng)地對早期胚胎的每個細(xì)胞進行了光轉(zhuǎn)換， 在8 細(xì)胞階段構(gòu)建了一個完整的命運圖譜。然后，當(dāng)三帶黑豹蠕蟲成長為一個仍然帶有紅色標(biāo)簽的成成體蠕蟲時，再跟蹤了這些細(xì)胞。在許多胚胎中反復(fù)跟蹤每個細(xì)胞的過程使得有可能追蹤每個細(xì)胞發(fā)揮作用的位置。 在16 細(xì)胞階段的胚胎中發(fā)現(xiàn)了一對非常特殊的細(xì)胞， 它們產(chǎn)生了看起來是neoblast 的細(xì)胞。 但懷疑neoblast 來自早期胚胎的多個來源，而不僅僅是在16 細(xì)胞階段發(fā)現(xiàn)的這對細(xì)胞。 為了確定這一點，將這對特殊的細(xì)胞（在三帶黑豹蠕蟲中稱為3a/3b）進行實驗。 為了成為neoblast，這些細(xì)胞必須滿足干細(xì)胞的所有已知特性。 這些細(xì)胞的后代在再生過程中會產(chǎn)生新的組織嗎？ 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，是的，只有這些細(xì)胞的后代在再生過程中產(chǎn)生了新的組織。

另一個決定性的特性是干細(xì)胞的基因表達水平，它必須有數(shù)百個基因表達。為了確定3a/3b 是否符合這一特性，研究人員將發(fā)出紅色熒光的3a/3b 后代細(xì)胞和所有發(fā)出綠色熒光的其他細(xì)胞的后代細(xì)胞，用一臺分選一起將它們分開。 隨后應(yīng)用單細(xì)胞測序技術(shù)來研究哪些基因在發(fā)出紅色熒光的細(xì)胞和發(fā)出綠色熒光的細(xì)胞中表達。結(jié)果證實，在分子水平上，只有3a/3b 細(xì)胞的后代細(xì)胞與干細(xì)胞匹配，而任何其他細(xì)胞的后代細(xì)胞則不能。 也就是研究人員找到了aPSC 群體的細(xì)胞來源。

該研究揭示了一組基因，它們可能是形成干細(xì)胞的非常重要的控制者。 這些基因的同源物在人類干細(xì)胞中具有重要的作用，這說明它們是跨物種的。