最新《细胞》：全身切碎也能再生，哈佛科学家揭开神奇生物的干细胞形成之谜

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三斑黑豹蠕虫是一种非常不起眼的小蠕虫，生活在海底软泥中，但它们却是地球上再生能力最强的动物之一：整个头被砍掉，没多久就能长出一颗新头，嘴巴、神经系统俱全；甚至全身切成碎片，每一块都可以长出完整的个体。

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▲三斑黑豹蠕虫（Hofsteniamiamia）（图片来源：参考资料[2]；Credit：MansiSrivastava&KathleenMazza-Curll）
超强的再生能力引起了科学家的极大好奇。哈佛大学的MansiSrivastava教授多年前在野外采集到三斑黑豹蠕虫后，开始在实验室进行培养。通过全基因组测序和转基因技术等， Srivastava教授希望这种小动物可以向人类透露再生的秘密。
“具备再生能力的动物有一个共同特点是体内存在着成体多能干细胞（aPSC）。 ”在Srivastava课题组研究干细胞的博士生JulianO.Kimura说。
我们知道，干细胞具有分化潜力，可以修复、替换各种类型的细胞，重新制造缺失的身体部位。不过，在包括人类在内的大多数动物中，成体干细胞只限于再生特定类型的细胞，比如毛囊干细胞只能制造毛发，肠道干细胞只会为肠道提供补充。三斑黑豹蠕虫以及许多其他无脊椎动物（如海绵、水螅、海星等），成年个体拥有的多能干细胞，几乎能够再生任何类型的细胞。
在这篇《细胞》杂志刚刚上线的研究论文中，研究团队便以三斑黑豹蠕虫为例，从发育起源的角度，揭示了成年多能干细胞是怎么产生的。
为了找出多能干细胞的发育轨迹，研究人员首先基于之前开发的新技术，让蠕虫的胚胎细胞发出绿色荧光，再用激光照射其中某一个或某几个细胞，则可以使之变成红色。利用这种方法，研究人员在胚胎刚刚发育到8个细胞的早期阶段，逐一改变了每个细胞的颜色，追踪它们分裂产生的细胞后代。

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▲通过转换荧光颜色，研究人员逐个追踪胚胎中每个细胞的发育轨迹（图片来源：参考资料[2]；Credit：JulianKimura）
胚胎发育到16个细胞的阶段， Kimura注意到一对特殊的细胞，从分布特征等外观来看，它们很像成新细胞（neoblast），也就是未分化的全能细胞。进一步追踪发现，唯有这对细胞产生的后代细胞会在再生期间制造新组织，这种能力显示了它们具有干细胞属性。
不仅如此，研究人员分析了这对细胞的基因表达水平，来确认是否具有已知的多能干细胞基因表达特征。为此，研究人员把这对发红光的细胞的后代和所有其他发绿光的细胞分开，分别用单细胞测序技术检测两组细胞表达的基因。这组实验提供的数据进一步证实， 16细胞期的这对细胞就是成体多能干细胞的源头。
▲红色标记了胚胎16细胞期的两个细胞，它们分裂产生的细胞迁移至胚胎内部，成为干细胞（图片来源：参考资料[2]；Credit：JulianKimura）
“现在，我们知道了干细胞的细胞来源，接下来就有办法在细胞成熟过程中抓住它们，确定哪些基因参与了干细胞制造。 ”Kimura说到。
研究团队由此创建了一个单细胞水平的胚胎发育数据集，详细说明了从胚胎发育开始到结束的整个阶段，哪些基因在所有细胞中表达，以及哪些基因在制造干细胞的细胞谱系中有特殊的表达。

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▲研究示意图（图片来源：参考资料[1]）
最终研究人员锁定了一组基因，包括转录因子Hes、FoxO和Tbx等，可能是形成多能干细胞的重要控制者。研究人员指出，这组基因的同源物在人类干细胞中也有重要作用，它们起作用的方式可能在不同物种中具有共性。