在這張顯微鏡圖片中,，在成年渦蟲經(jīng)照射后,，單個干細胞(cNeoblast)培養(yǎng)14天后產(chǎn)生細胞集落,。cNeoblast 細胞集落含有多種類型的細胞,，包括正在增殖(紅色)的和正在分化(藍色)的細胞群體。定量測量這些類型細胞的大小和比率提供一種新的強大平臺來闡釋渦蟲中干細胞調(diào)節(jié)基因的作用,。圖片來自Dan Wagner/ Whitehead Institute,。
根據(jù)2012年3月2日發(fā)表在《細胞-干細胞》期刊上的一篇研究論文，美國白頭山研究所研究員Peter Reddien和他實驗室的科學(xué)家開發(fā)出一種鑒定和研究控制渦蟲(Schmidtea mediterranea)干細胞行為的基因的新方法,。令人吃驚的是,，這些基因當(dāng)中有至少一類基因在人胚胎干細胞中存在同源基因。
渦蟲是一種淡水扁蟲,，能夠分裂繁殖,。在將自己分成兩半之后，渦蟲利用稱作cNeoblast的干細胞來再生缺失的組織和器官,，大約一周內(nèi)最終形成兩只完整的渦蟲,。
不像完全分化的肌細胞、神經(jīng)細胞或者皮膚細胞，某些干細胞如cNeoblast和胚胎干細胞是多能性的并且能夠變成體內(nèi)幾乎所有類型的細胞,，因此研究人員一直希望利用這種能力再生人類受損的,、生病的或者缺失的組織。
當(dāng)前存在的幾個問題使得人們對干細胞的治療性應(yīng)用持悲觀態(tài)度,，包括如何確保讓干細胞在合適位點分化為特定類型的細胞并且將這些細胞成功地整合進周圍的組織而不會產(chǎn)生腫瘤,。為了解決這些問題，研究人員需要更好地在分子水平理解干細胞如何運轉(zhuǎn),，特別是在活著有機體內(nèi)部環(huán)境,。直到現(xiàn)在，相當(dāng)多數(shù)的胚胎干細胞研究是在盤碟內(nèi)高度人工的環(huán)境中開展的,。
因為渦蟲的強大再生能力和一半以上的基因擁有人類同源基因,，所以這種有機體似乎適合作為研究對象,。但是,，直到現(xiàn)在，科學(xué)家一直不能夠有效地找到調(diào)節(jié)渦蟲干細胞系統(tǒng)的基因,。
論文第一作者Dan Wagner和Reddien設(shè)計出一種更加靈巧的方法來鑒定潛在的基因調(diào)節(jié)物,，然后確定這些基因是否影響干細胞的分化和自我更新。鑒定在cNeoblast中存在活性的基因之后,，Wagner對渦蟲進行照射,，讓每個渦蟲中只有單個cNeoblast細胞存活。在單獨存在時,，每個cNeoblast能夠按照確定好的分化和自我更新速度形成新的細胞集落(colony),。
研究人員敲降(knock down，即降低表達)每個活性基因的表達,，而且是每個渦蟲敲除一個基因,，然后觀察存活的cNeoblast如何作出反應(yīng)。通過將敲降后cNeoblast的分化和自我更新速度與正常時進行比較,，他們能夠確定每個基因的作用,。因此，如果一個細胞集落的某個基因遭敲降后產(chǎn)生的干細胞數(shù)量比正常時更少時,，研究人員就可以做出結(jié)論發(fā)生敲降的基因與分化相關(guān)聯(lián),。
“因為它是一個定量方法，所以我們現(xiàn)在能夠精確地測定每個基因在干細胞不同功能方面所起的作用”,，Wagner說,，“能夠測定一個集落內(nèi)干細胞活性是對以前存在的較為間接方法的一次大的改善。”
Wagner說,，總共鑒定出10個基因影響著cNeoblast自我更新,，兩個基因在自我更新和分化中都起作用。而且這些干細胞自我更新基因中的3個特別吸引人,，因為它們編碼的蛋白類似于多梳抑制復(fù)合物2(Polycomb Repressive Complex 2, PRC2)中的組分,，因為人們已知PRC2調(diào)節(jié)哺乳動物胚胎干細胞和其他干細胞系統(tǒng)的干細胞特征,。
“這項研究非常有趣，因為它提示著渦蟲和哺乳動物這兩者的干細胞如何運轉(zhuǎn)存在相似性,。比如,，cNeoblast和胚胎干細胞在分子水平上如何發(fā)揮功能和維持干性(stemness)可能存在類似性”，他說,。(生物谷：towersimper編譯)
doi:10.1016/j.stem.2012.01.016
PMC:
PMID:
Genetic Regulators of a Pluripotent Adult Stem Cell System in Planarians Identified by RNAi and Clonal Analysis
Daniel E. Wagner, Jaclyn J. Ho, Peter W. Reddien
Pluripotency is a central, well-studied feature of embryonic development, but the role of pluripotent cell regulation in somatic tissue regeneration remains poorly understood. In planarians, regeneration of entire animals from tissue fragments is promoted by the activity of adult pluripotent stem cells (cNeoblasts). We utilized transcriptional profiling to identify planarian genes expressed in adult proliferating, regenerative cells (neoblasts). We also developed quantitative clonal analysis methods for expansion and differentiation of cNeoblast descendants that, together with RNAi, revealed gene roles in stem cell biology. Genes encoding two zinc finger proteins, Vasa, a LIM domain protein, Sox and Jun-like transcription factors, two candidate RNA-binding proteins, a Setd8-like protein, and PRC2 (Polycomb) were required for proliferative expansion and/or differentiation of cNeoblast-derived clones. These findings suggest that planarian stem cells utilize molecular mechanisms found in germ cells and other pluripotent cell types and identify genetic regulators of the planarian stem cell system.
