研究了未分化细胞如何提交他们的生物的命运
从感光视网膜视锥细胞心脏的血肌waste-filtering单位的肾脏,人体是由数以百计的细胞类型精美很精确的专业来执行他们的工作。
然而,这种复杂性掩盖了这一事实每个数以万亿计的高度专业化细胞开始作为一个单独的原始细胞。
这些原始,如何未分化细胞选择自己的最终命运吗?这是一个几个世纪以来,生物学家感兴趣的问题。
现在,来自哈佛医学院的科学家,卡罗林斯卡医学院及维也纳医科大学等机构,发现了有趣的新线索细胞的分子逻辑通知他们的命运。
研究结果发表在6月7日科学和基于鼠标神经嵴组织的一项研究,表明细胞面对多个竞争的选择在他们的成年和执行一系列二元决策之旅,直到他们到达最终的目的地。
“祖细胞可能成为任何东西,但如何选择实现?”表示文章的第二调查员彼得•Kharchenko副教授Blavatnik学院生物医学信息学的哈佛医学院。“我们的研究是为了定义背后的分子逻辑单元的选择。我们相信我们的研究可以帮助我们理解细胞如何定位自己向一个特定的命运和细胞分化的过程中哪些细节可能会出错。”
研究表明,神经嵴细胞的决定发生在三个阶段:激活细胞遗传程序竞争争夺的关注,逐步偏压对这些项目之一,细胞的最终承诺。
研究人员警告说,在这一点上,他们的发现只属于神经嵴细胞,但同样的方法也可以探索理解在其他组织细胞分化。目前尚不清楚是否其他组织、器官和有机体遵循类似的细胞分化的机制,他们补充说。
除了揭示在生物学的一个基本问题,研究结果可以帮助照亮出错在干细胞“带错了把”,成为恶性或帮助新技术不断增长的医疗、人工神经组织的调查人员说。
“我们希望我们的研究能提供多样性的一个新窗口神经嵴细胞和有助于解释细胞的正常发展,引起颅面,心脏和感官组织还沿途的一些病理“弯路”,导致异常细胞分化研究文章的第二作者Igor Adameyko表示:“瑞典Karolinska研究院的高级研究员和维也纳医科大学。“这种见解至关重要,不仅对理解细胞分化的基本生物学,但可能为治疗战略提供信息。”
一个细胞的困境
研究人员追踪原始细胞从老鼠的轨迹神经嵴组织收集来自外胚层的细胞,胚胎发育的主要生殖细胞层中形成。这些祖细胞产生多种细胞,包括不同的神经细胞在大脑中,脊髓和身体其它部位的色素细胞以及细胞的骨头,软骨和平滑肌的头骨和脸。
决策的追溯这些原始细胞分化成不同的专业化领域,研究人员使用单细胞测序,一种技术,它允许一个人观察单个细胞的基因改变,一个细胞。研究人员绘制细胞的轨迹决策树的形式,伴随着一系列的叉子在路上。决定细胞的序列的决策以及如何提交到给定的命运,科学家跟踪单个细胞RNA的速度变化。RNA changes-measured率变化的基因表达和蛋白质production-occur当细胞开始执行逐客令从基因和转型。随着基因程序被激活或沉默,RNA的速度生产相应的变化。
令研究人员吃惊的是,分析显示,竞争组genes-genetic程序调节各种细胞functions-nudge细胞同时向不同的发展路径。细胞决定的道路,一个遗传程序变得更强,同时竞争一个变弱,允许细胞走向它的选择路径。
分析表明,细胞面临一系列的二元选择,每个后续决定进一步缩小专业化的选择。例如,分析表明,第一分岔细胞的过程发生在一个十字路口,当神经嵴细胞必须选择是否会成为感觉神经细胞或另一种类型。下一个叉路时,神经细胞之间必须决定成为一个支持和盾牌的胶质细胞类型的细胞神经元或神经元,等等直到到达最终状态。
下一个问题,科学家们想的答案是如何引导向一个特定的细胞命运。
“细胞慢慢开始激活的分子机制,推动它在正确的路径或有别的原因吗?”Kharchenko said.
这个发现揭示了单个基因不偏见彼此独立的细胞的选择。相反,整个集群的同时与不同的命运相关的基因被激活,细胞争夺的注意。细胞越是接近决定叉,两个遗传程序的co-activation越大,每个召唤成为之间的细胞在不同的方向决定颚骨细胞与神经细胞,例如。
观察表明,一个细胞是一个选择后两个项目在一定程度上激活,启动细胞的替代之前提交。一旦选择,无关紧要的遗传程序是沉默。
“这很奇怪,”Kharchenko说。“我们希望看到一些简单的像早期细胞表现出偏爱一种选择。相反,我们观察到细胞准备两个选项,认为两个选项,然后再提交一个决定。”
Adameyko说,研究结果表明,“一个复杂的,长期的相互矛盾的信号逐渐准备细胞一系列可能的结果,结束一段旅程,蒸馏的这些选择到一个可用的选择。”
研究人员警告说,他们的发现揭示了细胞的内部决策和执行决策,而不是实际指导最终选择的因素。团队表示,这些因素可能是外部信号从一个细胞的环境,而不是从内部出现的信号。然而,细胞必须准备应对相关的外部信号到达时。
“我们看到的是细胞准备如何决定,准备应对一个调用或另一个,“Kharchenko说。“推动细胞在一个方向上的东西,但我们仍然不知道这个催化剂是什么。”
偏离了正确的道路
观察可以帮助科学家们了解细胞成熟的履行自己的职责,但同样重要的是,他们怎么可能偏离了正轨,开始分裂uncontrollably-the癌症的基本特征。例如,这些发现可以照亮背后的过程在肿瘤细胞种群多样性和阻力在某些小儿癌症疗法称为神经母细胞瘤,肿瘤来自于未成熟的神经细胞。
几种类型的癌症起源于神经嵴谱系,包括周围神经系统的肿瘤,内分泌肿瘤,黑色素瘤。虽然细胞专业化是一个严格控制的过程,可能发生错误的区别,导致恶性肿瘤,研究人员说。
“有一些迹象表明,神经嵴细胞肿瘤源自无法克服分化叉路上,它卡住,“Kharchenko说。“前进,我们想知道什么时候一个细胞脱离其预期路径和开始overproliferate。”
研究人员说,进行类似的分析对人类神经嵴组织细节的精确分子事件,发生在这些关键契机与细胞如何解决或无法解决他们理解的变化是一个重要的下一步遗传程序伴随正常和不正常的分化。
