Science | 单细胞研究 “永生” 之谜

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这篇文章于2019年7月发表在Science上(影响因子41.037)。

人类再生能力很弱,特别是神经系统,一旦受到损伤,很难恢复。但某些物种,比如涡虫,水螅等有极强的全身再生能力(1),研究其再生机制,有助于为人损伤修复带来新线索,为人神经退行性疾病等治疗带来新方案。加州戴维斯分校Celina Juliano组就用水螅研究了这一过程,该工作近日(726日)发表在Science(1)


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1. 水螅具有极强的全身再生能力(2)


研究人员之所以选择水螅,是因为它非常适合单细胞分析细胞分化和再生。水螅一直保持发育状态,这就意味着只要在成体某一阶段,裂解水螅,取相对少数目的水螅细胞单细胞测序,就可以得到所有干细胞发育分化的具体过程


研究人员首先对大约25,000个水螅细胞进行了单细胞测序,对其聚类(t-SNE, 根据已有的相关研究划定每类的细胞类型。研究人员发现有一群细胞没有表达任何分化细胞标志基因,研究人员将其划定为间质层干细胞(Interstitial Stem Cell; ISC)并根据t-SNE图上和其它细胞类型的位置关系以及之前对水螅干细胞分化的相关研究,认为它会分化为刺细胞(刺胞生物的标志细胞),腺细胞和神经细胞(2)。

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2. 水螅单细胞聚类。根据转录状态和之前相关研究确定各类群细胞类型值得注意的是中间有一类细胞不表达任何分化细胞标志基因,将其划定为间质层干细胞(ISC红色箭头所示。

然后,研究人员用URD工具Broad研究所Aviv Regev等开发,基于细胞转录组变化,用随机行走模拟(simulated random walks),推测细胞分化路径)(3)深入分析了间质层干细胞的分化路径。主要发现神经细胞和腺泡细胞有共同起源(3(此外还发现部分基因从口到尾梯度分布,推测和身体规划(body plan)有关,详见原文)

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3. URD分析间质层干细胞分化路径可以看到腺细胞和神经细胞有共同的起源


接下来, 研究人员对最感兴趣的神系统进行了深入分析,发现了12种神经细胞亚型(其中3种为神经前体细胞),并根据其基因特异表达,确定了其标签(marker)(4)。为接下来进一步研究(光遗传功能分析等)打下了基础。

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4. 用标签(marker)特异标记水螅神经细胞水螅过表达融合有荧光蛋白的神经细胞标签   S,Sensory Neuron; G, Ganglion Neuron

最后,研究人员分析了细胞分化命运决定过程中的潜在核心调控因子。研究人员首先根据不同类型细胞共表达基因和开放染色质(by ATAC-seq)信息定位细胞调控序列模块(motif)。然后通过序列模块富集分析(motif enrichment analysis)和在此类型细胞转录因子表达情况,推测潜在的调控转录因子(5)。

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5. 用共表达基因结合ATAC-seq分析富集的调控模块和潜在调控因子


该项工作提供了水螅分化过程的分子图谱和潜在核心调控元件,为接下来进一步功能研究打下了基础。


通过和涡虫等其它具有全身再生能力,以及和在进化树距离近,但是再生能力弱的物种对比分析,可以进一步探究调控再生的核心元件,为人类的再生提供线索。


MIT/HHMI Peter Reddien认为单细胞测序是研究再生非常重要的技术,可以更好的定位再生干细胞和了解其分化具体过程(4)


另外,就像David Baltimore提到的,随着测序等技术的进步,研究对象扩展到更多物种,可以带来很多机遇和惊喜。

部分参考文献:

1.          S. Siebert et al., Stem celldifferentiation trajectories in Hydra resolved at single-cell resolution.Science(80-. ). 365, 460154 (2019).

2.          J. Wittlieb, K. Khalturin, J. U.Lohmann, F. Anton-Erxleben, T. C. G. Bosch, Transgenic Hydra allow in vivotracking of individual stem cells during morphogenesis. Proc. Natl. Acad.Sci. 103, 6208–6211 (2006).

3.          J. A. Farrell et al.,Single-cell reconstruction of developmental trajectories during zebrafishembryogenesis. Science (80-. ). 360 (2018),doi:10.1126/science.aar3131.

4.          P. W. Reddien, The cells ofregeneration. Science (80-. ). 365, 314–316 (2019).


转自CNS导读

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