科学家发现了引导早期干细胞形成的分子信号

来源:环球科学 / 作者: / 2016-02-03
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研究人员通过追踪发生在老鼠毛囊形成过程中的细胞分裂来确定干细胞出现的位置。上图显示了毛囊不同的发育阶段。

干细胞在我们的生命活动中就像一个杂活工,负责修复受损组织并更新正常身体组织,例如皮肤的生长与脱落。科学家逐渐了解干细胞在成体身上所起的作用,但对胚胎发育过程中这些干细胞的来源却所知甚少。

现在,洛克菲勒大学的研究人员已经发现了一种新的机制,这种机制可以指示细胞在胚胎发育过程中成为干细胞。这项研究发表在1月14日的《细胞》杂志上,它解释了细胞之间的通信如何介导这一进程,并可能为皮肤癌的治疗提供新的思路。

“虽然对成体干细胞的了解越来越多,但是我们仍对它的起源知之甚少。在这项研究中,我们发现,一旦单层的胚胎表皮细胞开始向下分裂形成胚胎的头芽,皮肤中毛囊内的原始干细胞就会特化。”Robin Chemers Neustein哺乳动物细胞生物学实验室的Elaine Fuchs解释道。“这个时期比我们预想的要早一些,也使我们对这些非常特别的细胞的出现过程有新的认识。”

先有干细胞,还是先有干细胞龛?

干细胞群从周围的细胞中得到信号,来决定是保持干细胞的身份,还是分化成别的特定细胞类型。这些有引导作用的细胞群称为“龛(niche)”,用来维持成体干细胞的数量。目前,科学家还没有了解的是干细胞龛如何形成,或者干细胞何时何地在胚胎发育中首次出现的。

“成体干细胞如何成为干细胞和如何控制细胞数量都依赖于干细胞龛的指引。”文章的第一作者Tamara Ouspenskaia说,“而问题在于,是干细胞龛先出现才使其他细胞成为干细胞,还是其他的方式?比如干细胞先出现在其它地方,然后形成干细胞龛?”

在老鼠毛囊中有一个含有活跃干细胞的区域,Fuchs和她的同事们在该区域调查了发生在毛囊中的首次细胞分裂。毛囊首先是一个名为基板(placode)的芽状物,然后发育为由多种细胞共同构成的多层组织。通过标记含有基板的细胞并追踪它们的分裂后代,研究人员发现在细胞每一次分裂时,都有一个子细胞原地不动,而另一个子细胞“跑路”到组织的另一层。进一步研究表明,这个“逃亡者”最终成为了干细胞。这一发现十分重要,因为这是干细胞在该过程中首次出现,它意味着在干细胞龛形成之前就有干细胞存在。

飞出巢穴变成干细胞

细胞的特化(例如特化为肝脏细胞或者上皮细胞)取决于多种因素。比如其他细胞的分子信号可以控制特定基因开关。Fuchs和同事观察到两个最终停止在不同位置的子细胞的分子信号活动是不同的,他们致力于搞清楚信号如何决定细胞最终的命运。

他们发现,逃走的子细胞前往的环境WNT信号比较弱,这种信号在胚胎发育中起到了十分重要的作用。相比而言,另一个子细胞所处环境的WNT信号较强。WNT信号的强度影响了细胞对另一种信号,即SHH的应答——只有在WNT较弱的环境中细胞才能应答SHH信号,并使细胞成为干细胞。

“这些细胞必须离开‘家’,它们必须离开WNT信号强的环境才能成为干细胞。”Ouspenskaia说,“我们观察到SHH信号其实就是那些接受了较强WNT信号的细胞产生的,前者对细胞的离开有重要作用。所以为了使这些逃离的细胞成为干细胞,需要从它的另一个原地不动的子细胞接受一个SHH信号,告诉它‘你是一个干细胞’。”

研究人员相信WNT和SHH信号的拮抗作用可能有助于控制胚胎发育阶段的干细胞产生数量。

“这个新发现的信号交叉反应解释了为什么这两个信号对皮肤癌的发生有深远影响,在皮肤癌中,癌症干细胞数量也十分巨大。”Fuchs说,她也是霍华德休斯医学研究所研究员,“现在的这项工作,为癌症干细胞和正常干细胞之间的临床关系的研究铺平了道路。”


http://phys.org/news/2016-01-early-stem-cells.html

 

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