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科学家设计了跟踪细胞发育步骤的方法

发布时间:2018-12-06 06:32:01

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华盛顿大学圣路易斯医学院的科学家开发了一种新工具,被描述为用于开发细胞的“飞行数据记录器”,照亮了细胞从一种类型进化到另一种类型时所采取的路径。

科学家希望有一天能够从需要肝脏移植的患者身上采集皮肤细胞,并沿着已知的路径引导皮肤细胞,从而导致新的肝脏。没有这种细胞跟踪设备,研究人员能够非常详细地研究原始细胞和最终细胞 - 但是细胞到达目的地的途径在很大程度上是未知的。

该研究发表于12月5日的“自然”杂志上。

“人们对再生医学在实验室中培养组织和器官的潜力很感兴趣 - 例如,或者有一天用于移植新药,”资深作者Samantha A. Morris博士说。发育生物学助理教授。 “但我们需要了解重编程过程的工作原理。我们想知道将皮肤细胞转化为心脏细胞的过程是否与肝细胞或脑细胞相同。将一种细胞类型转变为任何细胞类型所需的特殊条件是什么?其他细胞类型?我们设计这个工具来帮助回答这些问题。“

根据研究人员的说法,该工具可以揭示细胞“重编程”途径,这可能涉及将皮肤细胞恢复到不同类型的干细胞,然后可以成熟为新的肝脏或其他重要器官。在许多潜在用途中,该工具还可用于癌症研究,记录正常细胞可能发展成肿瘤的错误转变。

研究人员利用他们的飞行数据记录器进行了实验,揭示了成功完成飞行路径的细胞所采取的具体路线的一些令人惊讶的细节。这些新信息可以帮助研究人员确定最佳的“飞行前”状况,以便将细胞暴露于其中,以增加他们的旅程成功的可能性。科学家们希望提交正确的飞行计划,所以所有的细胞都到达了正确的目的地。

“现在,细胞重编程效率非常低,”莫里斯说。 “当你服用一个细胞群,如皮肤细胞,并把它变成一个不同的细胞群 - 比如肠细胞 - 只有大约1%的细胞成功地重新编程。而且因为它是如此罕见的事件,科学家们认为它很可能是一个随机的过程 - 有一些正确的步骤,一些细胞随机点击。我们发现完全相反。我们的技术让我们看到,如果一个细胞在这个过程中很早就开始重新编程的正确途径,所有它的相关兄弟细胞和它们的后代在同一页上做同样的事情。“

该技术利用病毒的自然特性,将微小的DNA“条形码”(称为“细胞标签”)插入每个细胞。当细胞分裂时,它们独特的条形码传递给它们所有的后代细胞。在28天细胞重编程窗口期间的几个设定时间点,添加新条形码并分析细胞样本以查看它们在该航路点处正在做什么。 CellTagging技术跟踪哪些细胞共享共同的祖先以及在谱系中找到共同祖先的距离,如家谱。事实上,除了单次飞行追踪之外,该工具还可以让Morris和她的团队构建复杂的细胞家族树,成功地重新编程的细胞可以追溯到他们的早期祖先。

莫里斯说,他们的研究表明,在收到重新编程的指令时,细胞所处的状态已经为其是否成功奠定了基础。这与当首次指示重新编程时细胞进入许多不同方向的假设相矛盾。

“如果我们能够解开那些能够使细胞在重编程中获得成功的初始条件,那么我们可以将细胞转化为我们想要的效率更高的细胞,”她说。 “我们希望达到100%的效率。这对于再生医学领域来说真的很令人兴奋。”

研究人员已经确定了鸡尾酒中的一种成分。他们发现,如果在细胞中开启某种称为Mettl7a1的基因,那么与该基因无活性的细胞相比,它们成功重编程的可能性是其三倍。根据莫里斯的说法,另一个有趣的发现是,重新编程不成功的细胞不仅仅是在整个地图上结束。它们似乎聚集在同一个死胡同,倾向于恢复到看起来像原始细胞类型。

“我们现在看到一个死胡同,但随着技术的进步,我们认为我们有可能看到多种结果,”她说。

研究人员研究了小鼠皮肤细胞,将它们暴露于分子混合物中,触发细胞DNA开放,打开新基因并将皮肤细胞重新编程为另一种称为诱导内胚层祖细胞的细胞。

这些细胞产生肝细胞和构成小肠的细胞。在潜在应用的一个例子中,莫里斯希望种植迷你胆,以帮助研究患有短肠综合症的早产儿。出生得太早的婴儿患疾病的风险很高,导致肠道组织死亡。为了阻止损害,一些婴儿需要手术切除肠道的这一部分,导致肠道较短。

“由于部分肠道被移除,这些婴儿失去了吸收营养的能力,”莫里斯说。 “如果我们最终可以从这些细胞的人类版本中种植替代肠道,那将是一个惊人的进步。”

莫里斯与华盛顿大学的技术管理办公室合作,为该技术申请专利。全球的几个研究团队已经开始关注在他们自己的研究中使用Morris实验室的CellTagging方法。

“我们很高兴和鼓励看到许多癌症研究小组在他们的实验室中采用这种技术,”莫里斯说。 “通过这种方法,他们可以找出哪些细胞成为癌症并及时追溯他们的祖先,看看他们早期做了什么。”

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