科学家绘制干细胞发育路线图

研究人员已经开发出一种描述视网膜细胞发育的方法，这可能会促进再生医学的发展。

资料来源:约翰·霍普金斯大学

几天前，美国科学家报告说，他们已经开发出一种通过追踪细胞中表达的基因来描述中枢神经系统发育的方法。这项技术已经在小鼠视网膜中得到证实。它跟踪单个细胞在发育过程中使用的基因活动，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，未来精确的路线图可以用于开发针对致盲疾病和其他神经疾病的再生疗法。

"这无疑是我们最全面的中枢神经系统细胞发育路线图."约翰·霍普金斯大学医学院细胞工程研究所成员、神经科学教授塞思·布莱克肖说。

“如果我们能利用这一路线图将干细胞转化为特定类型的视网膜细胞，我们有一天就能替代因黄斑变性和其他致盲疾病而丢失的细胞。”该大学的博士后研究员吉纳维芙·斯坦-奥布赖恩说。

这项研究发表在5月22日的《神经元》在线版上。Blackshaw说视网膜是一个研究得很好的结构，它包含了存在于神经系统其他部分的各种细胞类型，所以它可以作为一个极好的例子来研究中枢神经系统的发展。

构成视网膜的各种细胞类型是由神经祖细胞产生的，神经祖细胞是干细胞样细胞，能够发育成几乎任何视网膜细胞类型，这取决于发育过程中开关的基因。创造每一种细胞类型所需的基因模式沿着严格的时间线出现。视网膜中的光吸收棒细胞和锥体细胞等神经元是由年轻的祖细胞产生的，而支持性胶质细胞是由年老的祖细胞产生的。

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单个小鼠视网膜细胞的脱氧核糖核酸(DNA)进行测序——从第一代祖细胞到成人视网膜细胞。

然后，研究人员将这些信息输入到由斯坦-奥布赖恩开发的机器学习计算机程序中，该程序旨在快速压缩大量遗传数据，对相似细胞进行分组，然后生成路线图，使研究人员能够可视化开发过程。该计算机程序同时形成一个分支结构，使研究人员能够知道哪些细胞类型会产生其他细胞，以及会发生什么样的遗传变化，从而在小鼠和人类视网膜中产生100多种细胞类型。

“路线图提供了一种理解个体基因和基因网络对发育中的中枢神经系统的影响的方法。”布莱克肖说。

在随后的原理验证实验中，研究人员仔细研究了三个基因，即核因子1(NFI)a、B和X，这三个基因对于帮助祖细胞确定它们的年龄和可以产生的视网膜细胞的类型至关重要。

研究人员对老鼠进行基因工程改造，使其大量表达或根本不表达这三种基因，并在计算机程序中跟踪哪些基因在任何给定时间被“开启”，以观察视网膜细胞生命周期是如何变化的。

研究人员发现，NFI基因表达水平增加的细胞显示出比实际年龄更大，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)。相反，没有NFI基因的祖细胞继续产生早期细胞类型(如杆状细胞)，并像年轻的祖细胞一样继续分裂。

研究人员表示，他们最终希望将这项技术应用于其他细胞类型，以更好地了解哪些基因会影响身体其他组织的疾病发展。

“如果我们确切地知道祖细胞是如何从无定形干细胞群发展成成熟组织的，我们就可以用这个路线图来指引它们沿着特定的其他途径发展。”该校和麦克库西克-纳坦斯遗传医学研究所的神经科学助理教授忠诚戈夫说。(赵茜·Xi)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.04.010

《中国科学日报》(2019-05-30第二版国际版)