研究发现成体再生过程中的细胞命运选择高度混乱
怀特海德生物医学研究所和麻省理工学院的一组科学家绘制了扁形虫组织再生过程中干细胞做出的选择的空间图，揭示了一个意想不到的发现：而不是被组织成同质的邻域，其中一组干细胞变成眼细胞，例如，另一种变成肌肉细胞——干细胞选择的空间模式是高度异质的，相邻的干细胞选择不同的命运。
11月16日《自然通讯》在线期刊中描述的这一新见解源自一种强大的单细胞方法(称为MERFISH)的系统应用，该方法使团队能够同时可视化数百个单个干细胞的选择。
“我们的发现确实令人惊讶，”怀特海研究所成员、麻省理工学院生物学教授、霍华德休斯医学研究所研究员彼得·雷迪恩说。“干细胞如何选择它们的命运似乎几乎没有空间组织。细胞可以选择成为眼睛、皮肤或肠道细胞，它们以完全混乱的模式彼此相邻。这对于我们如何选择它们具有重要意义。了解这些细胞命运决定背后的机制。”
具有再生能力的涡虫扁虫(Schmidteamediterranea)是一群拥有生物超能力的动物之一，即能够完全再生缺失或损坏的身体部位的成虫。这种能力是由称为新生细胞的特殊干细胞实现的，它可以产生多种成熟细胞类型。成体涡虫中有超过125种不同类型的细胞。但干细胞如何通过如此广泛的选择来选择其生物命运呢?这些选择在动物体内是如何在空间上组织的?
为了回答这些问题，包括共同第一作者ChanPark和KwadwoOwusu-Boaitey在内的研究小组转向了一系列广泛称为空间转录组学的方法。这些方法使科学家能够使用基因活动的分子特征(称为“转录本”)以高分辨率可视化细胞，以标记不同类型的细胞。
“细胞如何决定成为什么?这是生物学中一个长期存在的基本问题，”雷迪恩解释道。“几十年来，为了在发育背景下理解这个问题，人们做了很多出色的工作。但成人再生是一个非常不同的情况，空间转录组学提供了一种强有力的方法来描述它。”
在试验了不同的空间转录组学方法后，该团队选择了MERFISH(多重抗错荧光原位杂交)，它可以在组织切片中以单细胞分辨率同时检测数百种不同的转录本。这种能力使研究人员能够绘制干细胞的空间组织以及它们可能成为的全套成体细胞类型。
“空间转录组学是一个快速新兴的技术领域，”共同第一作者ChanPark说。“这是一套革命性的方法，这项工作代表了MERFISH首次用于了解成体组织再生中细胞命运选择的用途之一。”
为了进行MERFISH实验，研究人员使用了多种分子探针来检测不同细胞类型中存在的转录本。其中包括已经开始做出细胞命运选择的干细胞和构成成体组织的细胞，如肌肉、皮肤、肠道、神经和色素细胞。利用这种多样化的分子探针，研究小组创建了再生成体扁虫的细胞命运选择图，这揭示了令人惊讶的组织缺乏。
“令人惊讶的是，当地实际的新生细胞社区对细胞命运选择的影响如此之小，”合著者吉赛尔·瓦尔德斯说。“这凸显了在此过程中除了本地职位之外的角色的重要性。”
“这项研究最让我兴奋的是，它揭示了再生有机体中的干细胞如何促进再生背后的核心特性，同时也引发了新的问题，”共同第一作者KwadwoOwusu-Boaitey说。
研究人员的发现有几个重要的意义。首先，缺乏模式表明干细胞的命运选择并不主要由局部外部信号指导。相反，选择似乎很大程度上留给了干细胞本身。雷迪恩说：“我们假设可能存在随机因素，例如加权骰子，我认为这是一个非常令人兴奋的探索可能性。”
此外，再生组织总是高度组织化的。因此，秩序必须以某种方式出现。雷迪恩和他的同事认为，这种模式是细胞迁移的结果——干细胞做出选择后，它们的后代可能会以有序的方式对自己进行分类。未来的工作需要检验这些想法，并了解扁虫再生中细胞命运选择混乱的分子基础。
怀特海德生物医学研究所和麻省理工学院的一组科学家绘制了扁形虫组织再生过程中干细胞做出的选择的空间图，揭示了一个意想不到的发现：而不是被组织成同质的邻域，其中一组干细胞变成眼细胞，例如，另一种变成肌肉细胞——干细胞选择的空间模式是高度异质的，相邻的干细胞选择不同的命运。
11月16日《自然通讯》在线期刊中描述的这一新见解源自一种强大的单细胞方法(称为MERFISH)的系统应用，该方法使团队能够同时可视化数百个单个干细胞的选择。
“我们的发现确实令人惊讶，”怀特海研究所成员、麻省理工学院生物学教授、霍华德休斯医学研究所研究员彼得·雷迪恩说。“干细胞如何选择它们的命运似乎几乎没有空间组织。细胞可以选择成为眼睛、皮肤或肠道细胞，它们以完全混乱的模式彼此相邻。这对于我们如何选择它们具有重要意义。了解这些细胞命运决定背后的机制。”
具有再生能力的涡虫扁虫(Schmidteamediterranea)是一群拥有生物超能力的动物之一，即能够完全再生缺失或损坏的身体部位的成虫。这种能力是由称为新生细胞的特殊干细胞实现的，它可以产生多种成熟细胞类型。成体涡虫中有超过125种不同类型的细胞。但干细胞如何通过如此广泛的选择来选择其生物命运呢?这些选择在动物体内是如何在空间上组织的?
为了回答这些问题，包括共同第一作者ChanPark和KwadwoOwusu-Boaitey在内的研究小组转向了一系列广泛称为空间转录组学的方法。这些方法使科学家能够使用基因活动的分子特征(称为“转录本”)以高分辨率可视化细胞，以标记不同类型的细胞。
“细胞如何决定成为什么?这是生物学中一个长期存在的基本问题，”雷迪恩解释道。“几十年来，为了在发育背景下理解这个问题，人们做了很多出色的工作。但成人再生是一个非常不同的情况，空间转录组学提供了一种强有力的方法来描述它。”
在试验了不同的空间转录组学方法后，该团队选择了MERFISH(多重抗错荧光原位杂交)，它可以在组织切片中以单细胞分辨率同时检测数百种不同的转录本。这种能力使研究人员能够绘制干细胞的空间组织以及它们可能成为的全套成体细胞类型。
“空间转录组学是一个快速新兴的技术领域，”共同第一作者ChanPark说。“这是一套革命性的方法，这项工作代表了MERFISH首次用于了解成体组织再生中细胞命运选择的用途之一。”
为了进行MERFISH实验，研究人员使用了多种分子探针来检测不同细胞类型中存在的转录本。其中包括已经开始做出细胞命运选择的干细胞和构成成体组织的细胞，如肌肉、皮肤、肠道、神经和色素细胞。利用这种多样化的分子探针，研究小组创建了再生成体扁虫的细胞命运选择图，这揭示了令人惊讶的组织缺乏。
“令人惊讶的是，当地实际的新生细胞社区对细胞命运选择的影响如此之小，”合著者吉赛尔·瓦尔德斯说。“这凸显了在此过程中除了本地职位之外的角色的重要性。”
“这项研究最让我兴奋的是，它揭示了再生有机体中的干细胞如何促进再生背后的核心特性，同时也引发了新的问题，”共同第一作者KwadwoOwusu-Boaitey说。
研究人员的发现有几个重要的意义。首先，缺乏模式表明干细胞的命运选择并不主要由局部外部信号指导。相反，选择似乎很大程度上留给了干细胞本身。雷迪恩说：“我们假设可能存在随机因素，例如加权骰子，我认为这是一个非常令人兴奋的探索可能性。”
此外，再生组织总是高度组织化的。因此，秩序必须以某种方式出现。雷迪恩和他的同事认为，这种模式是细胞迁移的结果——干细胞做出选择后，它们的后代可能会以有序的方式对自己进行分类。未来的工作需要检验这些想法，并了解扁虫再生中细胞命运选择混乱的分子基础。