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最新《細胞》：全身切碎也能再生，哈佛科學家揭開神奇生物的干細胞形成之謎

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▎藥明康德內容團隊編輯
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三斑黑豹蠕蟲是一種非常不起眼的小蠕蟲 ， 生活在海底軟泥中 ， 但它們卻是地球上再生能力最強的動物之一：整個頭被砍掉 ， 沒多久就能長出一顆新頭 ， 嘴巴、神經系統俱全；甚至全身切成碎片 ， 每一塊都可以長出完整的個體 。
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▲三斑黑豹蠕蟲（Hofsteniamiamia）（圖片來源：參考資料[2]；Credit：MansiSrivastava&KathleenMazza-Curll）
超強的再生能力引起了科學家的極大好奇 。 哈佛大學的MansiSrivastava教授多年前在野外采集到三斑黑豹蠕蟲后 ， 開始在實驗室進行培養 。 通過全基因組測序和轉基因技術等 ， Srivastava教授希望這種小動物可以向人類透露再生的秘密 。
“具備再生能力的動物有一個共同特點是體內存在著成體多能干細胞（aPSC） 。 ”在Srivastava課題組研究干細胞的博士生JulianO.Kimura說 。
我們知道 ， 干細胞具有分化潛力 ， 可以修復、替換各種類型的細胞 ， 重新制造缺失的身體部位 。 不過 ， 在包括人類在內的大多數動物中 ， 成體干細胞只限于再生特定類型的細胞 ， 比如毛囊干細胞只能制造毛發 ， 腸道干細胞只會為腸道提供補充 。 三斑黑豹蠕蟲以及許多其他無脊椎動物（如海綿、水螅、海星等） ， 成年個體擁有的多能干細胞 ， 幾乎能夠再生任何類型的細胞 。
在這篇《細胞》雜志剛剛上線的研究論文中 ， 研究團隊便以三斑黑豹蠕蟲為例 ， 從發育起源的角度 ， 揭示了成年多能干細胞是怎么產生的 。
為了找出多能干細胞的發育軌跡 ， 研究人員首先基于之前開發的新技術 ， 讓蠕蟲的胚胎細胞發出綠色熒光 ， 再用激光照射其中某一個或某幾個細胞 ， 則可以使之變成紅色 。 利用這種方法 ， 研究人員在胚胎剛剛發育到8個細胞的早期階段 ， 逐一改變了每個細胞的顏色 ， 追蹤它們分裂產生的細胞后代 。
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▲通過轉換熒光顏色 ， 研究人員逐個追蹤胚胎中每個細胞的發育軌跡（圖片來源：參考資料[2]；Credit：JulianKimura）
胚胎發育到16個細胞的階段 ， Kimura注意到一對特殊的細胞 ， 從分布特征等外觀來看 ， 它們很像成新細胞（neoblast） ， 也就是未分化的全能細胞 。 進一步追蹤發現 ， 唯有這對細胞產生的后代細胞會在再生期間制造新組織 ， 這種能力顯示了它們具有干細胞屬性 。
不僅如此 ， 研究人員分析了這對細胞的基因表達水平 ， 來確認是否具有已知的多能干細胞基因表達特征 。 為此 ， 研究人員把這對發紅光的細胞的后代和所有其他發綠光的細胞分開 ， 分別用單細胞測序技術檢測兩組細胞表達的基因 。 這組實驗提供的數據進一步證實 ， 16細胞期的這對細胞就是成體多能干細胞的源頭 。
▲紅色標記了胚胎16細胞期的兩個細胞 ， 它們分裂產生的細胞遷移至胚胎內部 ， 成為干細胞（圖片來源：參考資料[2]；Credit：JulianKimura）
“現在 ， 我們知道了干細胞的細胞來源 ， 接下來就有辦法在細胞成熟過程中抓住它們 ， 確定哪些基因參與了干細胞制造 。 ”Kimura說到 。
研究團隊由此創建了一個單細胞水平的胚胎發育數據集 ， 詳細說明了從胚胎發育開始到結束的整個階段 ， 哪些基因在所有細胞中表達 ， 以及哪些基因在制造干細胞的細胞譜系中有特殊的表達 。
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▲研究示意圖（圖片來源：參考資料[1]）
最終研究人員鎖定了一組基因 ， 包括轉錄因子Hes、FoxO和Tbx等 ， 可能是形成多能干細胞的重要控制者 。 研究人員指出 ， 這組基因的同源物在人類干細胞中也有重要作用 ， 它們起作用的方式可能在不同物種中具有共性 。