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相同的干細胞如何變成復雜的發(fā)揮著各種各樣功能的體細胞？干細胞如何分化為人體中的多種細胞類型是現(xiàn)代醫(yī)學科學的一個謎。在一項新的研究中，來自德國馬克斯-德爾布呂克分子醫(yī)學中心（MDC）和亥姆霍茲中心的研究人員通過將復雜的單細胞RNA技術與核酸測序和計算方法相結(jié)合，構(gòu)建出一種完整而又復雜的成年動物---具體而言是地中海圓頭渦蟲，學名Schmidtea mediterranea---的詳細細胞圖譜，并重建出所有被鑒定出的細胞的譜系樹。他們的研究結(jié)果也為細胞再生功能提供了新的見解。相關研究結(jié)果于2018年4月19日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標題為“Cell type atlas and lineage tree of a whole complex animal by single-cell transcriptomics”。論文通信作者為MDC柏林醫(yī)學系統(tǒng)生物學研究所主任Nikolaus Rajewsky教授。論文*作者為MDC柏林醫(yī)學系統(tǒng)生物學研究所的Mireya Plass博士和Jordi Solana博士。
圖片來自Salah Ayoub, BIMSB/MDC和Jordi Solana, BIMSB/MDC。
諸如地中海圓頭渦蟲之類的真渦蟲（planarian）是受歡迎的研究對象，這是因為它們是永生的：當被切割成多個小塊時，每個小塊也能夠*地再生出完整的個體。它們擁有大量的成體多能性干細胞，這些干細胞不斷地更新所有組織和細胞類型。Plass說，“為了理解細胞如何分化，我們需要比較處于不同分化階段的細胞的基因表達譜，就像我們在真渦蟲中發(fā)現(xiàn)的那樣。我們對整個真渦蟲進行解離，并且通過對它們的mRNA轉(zhuǎn)錄本進行測序，描述了成千上萬個細胞。”這些研究人員鑒定出37種不同的細胞類型，它們中的23種是終末分化的，此外還有多種干細胞和所謂的處于不同分化階段的祖細胞。
論文共同作者、MDC柏林醫(yī)學系統(tǒng)生物學研究所的Christine Kocks博士說，“我們隨后利用一種新的計算算法，即由Alexander Wolf博士和Fabian Theis教授開發(fā)出的PAGA，預測一種包括所有被鑒定出的由同一個干細胞群體產(chǎn)生的細胞類型的譜系樹。”這些研究人員隨后將這種預測結(jié)果與其他的計算和實驗方法---對純化的干細胞和來自干細胞已被耗盡的真渦蟲的細胞進行測序；基因表達變化；來自PAGA 的無監(jiān)督譜系樹預測；一種近期發(fā)布的被稱作velocyto的方法，它利用依據(jù)前體形式和成熟形式的mRNA轉(zhuǎn)錄本估計的mRNA代謝預測未來的細胞狀態(tài)---相結(jié)合，構(gòu)建出一種強健的由多種獨立的證據(jù)證實的譜系樹。此外，他們能夠鑒定出參與沿著這種譜系樹的細胞分化過程的基因程序。
這些研究人員還發(fā)現(xiàn)了幾種新的細胞類型，它們位于之前在分子研究中被忽略的真渦蟲實質(zhì)組織（parenchyma）中，并且在真渦蟲的再生過程中發(fā)揮重要作用。這些細胞所占的比例在再生中的真渦蟲內(nèi)顯著減少，這提示著這些細胞促進真渦蟲中的“身體重塑”過程。
通過一種交互式應用程序（https://shiny.mdc-berlin.de/psca/），科學家們能夠查詢這些數(shù)據(jù)并且研究細胞分化和再生期間的特定基因表達變化。利用PAGA和velocyto進行細胞譜系樹構(gòu)建的詳細在線教程（https://github.com/rajewsky-lab/planarian_lineages）將為未來的研究提供指導。（生物谷 Bioon.com）
參考資料：
Mireya Plass1,*, Jordi Solana1,*,†, F. Alexander Wolf et al. Cell type atlas and lineage tree of a whole complex animal by single-cell transcriptomics. Science, Published online: 19 Apr 2018, doi:10.1126/science.aaq1723
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