研究人員揭示了干細胞如何確定何處形成替代結構的框架
特黑德研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種再生框架,可以解釋和預測成體,再生組織中的干細胞如何確定在何處形成替代結構。
在3月15日在線發(fā)表在“科學”雜志上的一篇論文中,研究人員描述了一種用于渦蟲(扁蟲)眼再生的模型,該模型由三個協(xié)同作用的原理控制,這三個原理通知祖細胞在再生過程中的表現(xiàn)。該模型調(diào)用創(chuàng)建可伸縮地圖的位置線索;自我組織,吸引祖先到現(xiàn)有結構;和祖細胞起源于彌散的空間區(qū)域,而不是精確的位置,允許其路徑的靈活性。這些原則似乎決定了祖細胞如何決定在再生過程中去哪里重建形式和功能,它們使我們更接近系統(tǒng)層面對過程的理解。
從以前的研究中,研究人員知道干細胞很可能從相鄰組織中讀出指導來指導它們的路徑,并且很明顯這個過程在再生過程中面臨著一些嚴峻的挑戰(zhàn)。“我們意識到位置信息必須移動;它需要在再生過程中進行更改以指定要重新生成的新缺失部分。這些修訂后的信息可以指導選擇制作新結構的祖細胞分化為正確的解剖結構。正確的位置,“該論文的資深作者彼得雷丁,白石研究所研究員,麻省理工學院生物學教授和霍華德休斯醫(yī)學研究所(HHMI)調(diào)查員說。“然而,出現(xiàn)了一個難題。由于位置信息在再生過程中受傷后會發(fā)生變化,在位置信息模式和剩余的解剖模式之間存在不匹配。意識到存在這種不匹配是我們研究的一個觸發(fā)因素。我們想了解如何干細胞使特定組織決定去哪里和分化。它是基于解剖學,還是基于位置信息?當這兩件事情不一致時,他們又如何決定呢?“
Reddien和他的實驗室花了十多年的時間,用一種叫做渦蟲的扁蟲來解開再生的奧秘。如果將渦蟲的頭部截肢,或者將其側面移除,則每個部分將再生整個動物。為了了解祖先如何決定在動物再生的嘈雜環(huán)境中去哪里,研究人員使用了渦蟲眼,這是一種可見的器官,足夠小,可以在沒有嚴重損傷的情況下被移除,并具有定義祖細胞分子標記的額外優(yōu)勢。 。
研究人員設計了一個簡單的實驗來解決祖先如何決定去哪里的問題:截斷動物的頭部,然后在三天后從頭部移除一只眼睛。他們發(fā)現(xiàn)的是祖細胞將眼睛在前眼部(更靠近尖端)的位置成核到剩余眼睛,而不是在解剖學指定的“正確”位置,與當前眼睛對稱。然而,如果進行相同的實驗,除了其中一只眼睛在截肢前一天從頭部移開,而不是三天后 - 會有不同的結果:新眼睛在對稱的位置成核根據(jù)解剖結構,在剩下的眼睛處于“正確”位置,這表明當選擇相互沖突時,解剖學自組織動力學獲勝。
這些簡單的規(guī)則指導系統(tǒng)成功再生,并且當系統(tǒng)被推到極限時產(chǎn)生令人驚訝的結果,產(chǎn)生具有三眼,四眼和五眼動物的替代穩(wěn)定解剖狀態(tài)。切除動物的側面和截斷頭部可以使祖先遠離現(xiàn)有的自組織吸引器,使它們錯過它們,使它們能夠成核新的吸引子 - 第三只眼睛 - 在頭部碎片中。“如果遷移的祖先太靠近現(xiàn)有眼睛的吸引子,它就會吸入它們,就像一個黑洞;如果它們足夠遠,它們就可以逃脫,”該論文的第一作者Kutay Deniz Atabay說。和Reddien實驗室的研究生。
當研究人員對三眼動物進行同樣的手術時,祖先會錯過現(xiàn)有眼睛的吸引力并形成五眼動物。在這些情況中的每一種情況下,所有的眼睛在功能上都集成到大腦中并且表現(xiàn)出與渦蟲眼睛相同的避光響應。研究人員還觀察到這些替代解剖學狀態(tài)持久,揭示維持現(xiàn)有和替代解剖結構的規(guī)則。“這個食譜有助于解釋動物再生的基本問題,即遷移祖先如何做出選擇,導致系統(tǒng)再生和維持器官,”Atabay說。
“這些研究有助于提出一種建議的再生框架,其中競爭力,自組織和外在線索是影響再生中祖細胞靶向選擇的指南;這兩種力量共同決定了結果,”Reddien說。
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