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相同的干細(xì)胞如何變成復(fù)雜的發(fā)揮著各種各樣功能的體細(xì)胞？干細(xì)胞如何分化為人體中的多種細(xì)胞類型是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)科學(xué)的一個(gè)謎。在一項(xiàng)新的研究中，來自德國馬克斯-德爾布呂克分子醫(yī)學(xué)中心（MDC）和亥姆霍茲中心的研究人員通過將復(fù)雜的單細(xì)胞RNA技術(shù)與核酸測序和計(jì)算方法相結(jié)合，構(gòu)建出一種完整而又復(fù)雜的成年動物---具體而言是地中海圓頭渦蟲，學(xué)名Schmidtea mediterranea---的詳細(xì)細(xì)胞圖譜，并重建出所有被鑒定出的細(xì)胞的譜系樹。他們的研究結(jié)果也為細(xì)胞再生功能提供了新的見解。相關(guān)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(biāo)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(xué)系統(tǒng)生物學(xué)研究所主任Nikolaus Rajewsky教授。論文*作者為MDC柏林醫(yī)學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)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?yàn)樗鼈兪怯郎模寒?dāng)被切割成多個(gè)小塊時(shí)，每個(gè)小塊也能夠*地再生出完整的個(gè)體。它們擁有大量的成體多能性干細(xì)胞，這些干細(xì)胞不斷地更新所有組織和細(xì)胞類型。Plass說，“為了理解細(xì)胞如何分化，我們需要比較處于不同分化階段的細(xì)胞的基因表達(dá)譜，就像我們在真渦蟲中發(fā)現(xiàn)的那樣。我們對整個(gè)真渦蟲進(jìn)行解離，并且通過對它們的mRNA轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行測序，描述了成千上萬個(gè)細(xì)胞。”這些研究人員鑒定出37種不同的細(xì)胞類型，它們中的23種是終末分化的，此外還有多種干細(xì)胞和所謂的處于不同分化階段的祖細(xì)胞。
論文共同作者、MDC柏林醫(yī)學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)研究所的Christine Kocks博士說，“我們隨后利用一種新的計(jì)算算法，即由Alexander Wolf博士和Fabian Theis教授開發(fā)出的PAGA，預(yù)測一種包括所有被鑒定出的由同一個(gè)干細(xì)胞群體產(chǎn)生的細(xì)胞類型的譜系樹。”這些研究人員隨后將這種預(yù)測結(jié)果與其他的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方法---對純化的干細(xì)胞和來自干細(xì)胞已被耗盡的真渦蟲的細(xì)胞進(jìn)行測序；基因表達(dá)變化；來自PAGA 的無監(jiān)督譜系樹預(yù)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(jì)的mRNA代謝預(yù)測未來的細(xì)胞狀態(tài)---相結(jié)合，構(gòu)建出一種強(qiáng)健的由多種獨(dú)立的證據(jù)證實(shí)的譜系樹。此外，他們能夠鑒定出參與沿著這種譜系樹的細(xì)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(xì)胞類型，它們位于之前在分子研究中被忽略的真渦蟲實(shí)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(xì)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(xì)胞促進(jìn)真渦蟲中的“身體重塑”過程。
通過一種交互式應(yīng)用程序（https://shiny.mdc-berlin.de/psca/），科學(xué)家們能夠查詢這些數(shù)據(jù)并且研究細(xì)胞分化和再生期間的特定基因表達(dá)變化。利用PAGA和velocyto進(jìn)行細(xì)胞譜系樹構(gòu)建的詳細(xì)在線教程（https://github.com/rajewsky-lab/planarian_lineages）將為未來的研究提供指導(dǎo)。（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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