怀特黑德生物医学研究所和麻省理工学院的一组科学家绘制了扁虫组织再生过程中干细胞选择的空间图，揭示了一个意想不到的发现:干细胞选择的空间模式是高度异质性的，相邻的干细胞选择不同的命运，而不是被组织成同质的邻居——例如，一组干细胞成为眼睛细胞，另一组成为肌肉细胞。
这项新发现发表在11月16日的《自然通讯》网络版上，它来自于一种强大的单细胞方法MERFISH的系统应用，该方法使研究小组能够同时可视化数百个单个干细胞的选择。
“我们的发现确实令人惊讶，”资深作者Peter Reddien说，他是怀特黑德研究所的成员，麻省理工学院生物学教授，霍华德休斯医学研究所的研究员。“干细胞如何选择它们的命运似乎很少有空间组织。细胞可以选择成为眼睛、皮肤或肠道细胞，它们彼此相邻，形成一种完全混乱的模式。这对我们如何理解这些细胞命运决定背后的机制具有重要意义。”
这种可再生涡虫，地中海施米德茶，是一种拥有一种生物超能力的动物之一，成年生物体可以完全再生缺失或受损的身体部位。这种能力是由被称为新细胞的特化干细胞实现的，它可以产生各种成熟细胞类型。在成年涡虫中，有超过125种不同类型的细胞。但是干细胞是如何在如此广泛的选择中选择它们的生物命运的呢?这些选择在动物体内是如何在空间上组织起来的?
为了回答这些问题，包括共同第一作者Chan Park和Kwadwo Owusu-Boaitey在内的研究小组转向了一系列被广泛称为空间转录组学的方法。这些方法使科学家能够利用基因活动的分子特征(称为“转录本”)以高分辨率可视化细胞，从而标记不同类型的细胞。
“细胞如何决定变成什么?”这是一个长期存在的生物学基本问题，”Reddien解释道。“几十年来，为了从发展的角度理解这个问题，人们做了很多漂亮的工作。但成体再生是一个非常不同的情况，空间转录组学提供了一种表征它的有力方法。”
在尝试了不同的空间转录组学方法后，研究小组选择了MERFISH(多路错误鲁强荧光原位杂交)，它可以同时在组织切片中以单细胞分辨率检测数百种不同的转录本。这种能力使研究人员能够绘制出干细胞的空间组织，以及它们可以变成的全套成年细胞类型。
“空间转录组学是一个迅速崛起的技术领域，”共同第一作者Chan Park说。“这是一套变革性的方法，这项工作代表了MERFISH在成人组织再生中首次用于了解细胞命运选择的方法之一。”
为了进行MERFISH实验，研究人员使用了大量的分子探针来检测不同细胞类型中的转录本。这些细胞包括已经开始进行细胞命运选择的干细胞和构成成人组织的细胞，如肌肉、皮肤、肠、神经和色素细胞。利用这种不同种类的分子探针，研究小组在再生的成年扁虫中绘制了细胞命运选择的地图，揭示了令人惊讶的组织缺乏。
“令人惊讶的是，当地的新细胞社区对细胞命运选择的影响是如此之小，”合著者吉赛尔·瓦尔德斯说。“这凸显了在这个过程中，除了地方地位之外，其他角色的重要性。”
“这项研究最让我兴奋的是，它揭示了再生生物体中干细胞如何促进再生的核心特性，同时也引发了新的问题，”共同第一作者Kwadwo Owusu-Boaitey说。
研究人员的发现有几个重要的含义。首先，缺乏模式表明干细胞命运的选择并不主要受局部外部信号的指导。相反，这些选择似乎很大程度上取决于干细胞本身。“我们假设可能存在随机元素，就像加权骰子滚动一样，我认为这是一个非常令人兴奋的探索可能性，”Reddien说。
此外，再生组织总是高度组织化的。因此，秩序必须以某种方式出现。Reddien和他的同事们相信这种模式是细胞迁移的结果——在干细胞做出选择之后，它们的后代可能会以一种有序的方式进行自我分类。未来的工作需要验证这些想法，并了解扁虫再生过程中细胞命运选择混乱的分子基础。
