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看一颗干细胞长成完整生物

看一颗干细胞长成完整生物

看一颗干细胞长成完整生




视频:看一颗干细胞长成完整生物

(36500365uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:Nick Lunn 编译:涂玮瑛):看一颗干细胞长成完整生物,科学家已制作出描绘单颗细胞如何发展成复杂生命的基因路径图。

你的生命是许许多多选择的结果。学业、工作、人际关系;你做出的每个决定,都能制作出一张可追溯的地图,显示你从过去到现在所走过的路径。

细胞在变形(metamorphosis)过程中,也以相似的方式决定自身命运。

哈佛医学院(Harvard Medical School)系统生物学副教授尚恩.梅盖森(Sean Megason)解释说:「在发展期间制造不同类型的细胞就如同儿童成长的过程。一名5岁的儿童有潜力做任何事。」同样地,地球上几乎所有生物都从胚胎干细胞开始生长,然后再分裂、发育成一个复杂个体的各种特化部位。

梅盖森说:「细胞要成为神经细胞需要做一系列决定,而要成为肌肉细胞则要做出不同系列的决定。」但这些胚胎干细胞到底如何做决定?科学家目前还没有答案。

统一与分裂

以演化而言,多细胞生物型态较晚才出现。多细胞生物大约在6亿年前首次出现在地球上,比它们的单细胞先祖晚了至少20亿年。当时单细胞生物开始复制,最后形成更复杂的生物体,不过我们尚未完全了解它们开始复制的原因。

「干细胞在第一天通常只是分裂而已,所以第一天结束时它们是圆球状的细胞团。」梅盖森说:「不过等你隔天早上回来观察时,那团细胞已经变成一条小鱼。这条小鱼有眼睛、跳动的心脏,还有肌肉,而且它能甩动尾巴。」

胚胎干细胞具有极大潜力,并已经是许多研究的主题(也招致许多争议)。这些研究的目标是希望我们有一天能让干细胞生长到特定状态,例如成为脑细胞、皮肤或心脏。不过梅盖森也说,虽然已投入数十年的研究致力于了解这些细胞如何发展,但大部分的研究却各自为政,彼此并无紧密关联。

在这三篇新发表于《科学》(Science)期刊的研究中,梅盖森与其他两个哈佛医学院的团队观察斑马鱼与青蛙胚胎发育最初24小时的变化,追踪成千上万个单颗细胞,了解它们如何发展,成为更特化的细胞,并试图找出这些变化的原因。

「我的目标是了解胚胎发展出各种细胞的完整路径图。」他解释。 「我们仍有许多工作要做,但这是全球第一个细胞发展路径图。」

细胞制图学

绘制这份路径图并非易事。研究人员利用一种称为单细胞定序(single-cell sequencing)的技术,让个别细胞悬浮于油水混合物中,然后给予每个细胞「身分条码」。这种方法重复用于数千个细胞,所以研究人员分析每个细胞的行为时,需要处理庞大资料。

「我们有时将细胞选择命运的过程幻想成一颗滚下山谷的球,山谷中不断出现岔路,形成越来越多山谷,而球经过这些岔路与山谷就如同细胞选择命运。但这颗球滚动的表面并非二元维度,而是多达2万5000个维度,每个维度代表一个基因。」

更复杂的是,细胞世界也存在「大器晚成」的案例。

梅盖森说:「有些细胞可能在非常年轻时就上大学跟医学院,就像影集《天才小医生》(Doogie Howser)一样,而其他细胞虽然选择相同道路,却起步更晚或发展更慢。」

该研究的结果有助于证实先前某些关于细胞行为的猜想。细胞可能会犹豫不决或困惑不解,它们在找到最终职业前,可能会处于各种不同的混合状态。细胞发育时,甚至可能有多条路径通往相同命运的情况。

梅盖森希望,他们团队的研究能为科学家提供「说明书」,显示胚胎中基因制造不同种类细胞时采用的步骤,「这些不同种类的细胞之后能用于替代因损伤或疾病而丧失的人类细胞。」




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