科学家绘制干细胞发育路线图
2019年05月31日
来源：中国科学报
作者：中国科学报
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摘要：美国科学家日前报告称，他们已开发出一种通过追踪细胞内表达基因来描绘中枢神经系统发育的方法。这项技术在小鼠视网膜中得到证实，其跟踪了个体细胞在发育过程中使用的基因的活性，使研究人员能够以前所未有的方式详细识别相关模式。研究人员表示，这种精确路线图可在未来用于开发致盲性疾病和其他神经系统疾病的再生疗法。
研究人员已经开发出一种方法描绘视网膜细胞发育，这可能推动再生医学发展。
图片来源：约翰斯·霍普金斯大学
美国科学家日前报告称，他们已开发出一种通过追踪细胞内表达基因来描绘中枢神经系统发育的方法。这项技术在小鼠视网膜中得到证实，其跟踪了个体细胞在发育过程中使用的基因的活性，使研究人员能够以前所未有的方式详细识别相关模式。研究人员表示，这种精确路线图可在未来用于开发致盲性疾病和其他神经系统疾病的再生疗法。
“这无疑是我们在中枢神经系统细胞发育方面最全面的路线图。”约翰斯·霍普金斯大学医学院神经科学教授兼细胞工程研究所成员Seth Blackshaw说。
“如果我们能够利用这种路线图让干细胞制造某种类型的视网膜细胞，有朝一日便可以替换因黄斑变性和其他致盲性疾病而丧失的细胞。”该校博士后Genevieve Stein-O’Brien说。
该研究于5月22日发布在《神经元》杂志网络版。Blackshaw表示，视网膜是一种已充分研究的结构，其包含多种存在于神经系统其他部分的细胞类型，因此可以作为一个极好的范例用于研究中枢神经系统发育。
构成视网膜的各种细胞类型都由神经祖细胞产生，后者为干细胞样细胞，具有发育成几乎任何视网膜细胞类型的能力，而这取决于在发育期间开启和关闭的基因。创造每种细胞类型所需的基因模式沿着严格的时间线出现。神经元如视网膜中的吸光视杆细胞和视锥细胞均由较年轻的祖细胞产生，而支持性神经胶质细胞由较老的祖细胞产生。
为了详细研究这一过程并构建路线图，研究人员首先对不同发育时间点的个体小鼠视网膜细胞的脱氧核糖核酸（DNA）进行了测序——从第一代祖细胞到成年视网膜细胞。
研究人员随后将这些信息输入由Stein-O’Brien开发的机器学习计算机程序，该程序旨在快速压缩大量遗传数据，将相似细胞分组，进而生成一张路线图，使研究人员能够可视化发育过程。该计算机程序同时形成一个分支结构，让研究人员了解哪些细胞类型会产生其他细胞，以及发生什么样的遗传变化，导致小鼠和人类视网膜中出现超过100种细胞类型。
“该路线图提供了一种方式，让我们可以了解个体基因和基因网络对发育中的中枢神经系统的影响。”Blackshaw说。
在后续的一项原理验证实验中，研究人员仔细研究了3种基因，即核因子1（NFI）a、b和x，这些基因对于帮助祖细胞确定其年龄以及可以产生的视网膜细胞类型必不可少。
研究人员对小鼠进行了基因工程改造，使它们大量表达这3种基因或者完全不表达，并通过跟踪在计算机程序中的任何给定时间“开启”何种基因，观察其视网膜细胞生命周期如何改变。
研究人员发现，NFI基因表达水平升高的细胞表现得比实际年龄更大，并且比正常视网膜祖细胞产生更多相应的细胞类型（神经胶质细胞）。相比之下，没有NFI基因的祖细胞继续产生早期的细胞类型（如视杆细胞），并像年轻祖细胞一样继续分裂。
研究人员表示，他们最终希望将该技术应用于其他细胞类型，以更好地了解哪些基因影响身体其他组织中的疾病发展。
“如果我们确切知道祖细胞如何从未定型干细胞群发育成成熟组织，就可以使用这个路线图将它们重定向，以沿特定的其他路径发育。”该校神经科学助理教授兼McKusick-Nathans遗传医学研究所Loyal Goff说。
相关论文信息：DOI:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.04.010
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