研究人员揭示了干细胞如何确定何处形成替代结构的框架

特黑德研究所的研究人员发现了一种再生框架，可以解释和预测成体，再生组织中的干细胞如何确定在何处形成替代结构。

在3月15日在线发表在“科学”杂志上的一篇论文中，研究人员描述了一种用于涡虫(扁虫)眼再生的模型，该模型由三个协同作用的原理控制，这三个原理通知祖细胞在再生过程中的表现。该模型调用创建可伸缩地图的位置线索;自我组织，吸引祖先到现有结构;和祖细胞起源于弥散的空间区域，而不是精确的位置，允许其路径的灵活性。这些原则似乎决定了祖细胞如何决定在再生过程中去哪里重建形式和功能，它们使我们更接近系统层面对过程的理解。

从以前的研究中，研究人员知道干细胞很可能从相邻组织中读出指导来指导它们的路径，并且很明显这个过程在再生过程中面临着一些严峻的挑战。“我们意识到位置信息必须移动;它需要在再生过程中进行更改以指定要重新生成的新缺失部分。这些修订后的信息可以指导选择制作新结构的祖细胞分化为正确的解剖结构。正确的位置，“该论文的资深作者彼得雷丁，白石研究所研究员，麻省理工学院生物学教授和霍华德休斯医学研究所(HHMI)调查员说。“然而，出现了一个难题。由于位置信息在再生过程中受伤后会发生变化，在位置信息模式和剩余的解剖模式之间存在不匹配。意识到存在这种不匹配是我们研究的一个触发因素。我们想了解如何干细胞使特定组织决定去哪里和分化。它是基于解剖学，还是基于位置信息?当这两件事情不一致时，他们又如何决定呢?“

Reddien和他的实验室花了十多年的时间，用一种叫做涡虫的扁虫来解开再生的奥秘。如果将涡虫的头部截肢，或者将其侧面移除，则每个部分将再生整个动物。为了了解祖先如何决定在动物再生的嘈杂环境中去哪里，研究人员使用了涡虫眼，这是一种可见的器官，足够小，可以在没有严重损伤的情况下被移除，并具有定义祖细胞分子标记的额外优势。。

研究人员设计了一个简单的实验来解决祖先如何决定去哪里的问题：截断动物的头部，然后在三天后从头部移除一只眼睛。他们发现的是祖细胞将眼睛在前眼部(更靠近尖端)的位置成核到剩余眼睛，而不是在解剖学指定的“正确”位置，与当前眼睛对称。然而，如果进行相同的实验，除了其中一只眼睛在截肢前一天从头部移开，而不是三天后 - 会有不同的结果：新眼睛在对称的位置成核根据解剖结构，在剩下的眼睛处于“正确”位置，这表明当选择相互冲突时，解剖学自组织动力学获胜。

这些简单的规则指导系统成功再生，并且当系统被推到极限时产生令人惊讶的结果，产生具有三眼，四眼和五眼动物的替代稳定解剖状态。切除动物的侧面和截断头部可以使祖先远离现有的自组织吸引器，使它们错过它们，使它们能够成核新的吸引子 - 第三只眼睛 - 在头部碎片中。“如果迁移的祖先太靠近现有眼睛的吸引子，它就会吸入它们，就像一个黑洞;如果它们足够远，它们就可以逃脱，”该论文的第一作者Kutay Deniz Atabay说。和Reddien实验室的研究生。

当研究人员对三眼动物进行同样的手术时，祖先会错过现有眼睛的吸引力并形成五眼动物。在这些情况中的每一种情况下，所有的眼睛在功能上都集成到大脑中并且表现出与涡虫眼睛相同的避光响应。研究人员还观察到这些替代解剖学状态持久，揭示维持现有和替代解剖结构的规则。“这个食谱有助于解释动物再生的基本问题，即迁移祖先如何做出选择，导致系统再生和维持器官，”Atabay说。

“这些研究有助于提出一种建议的再生框架，其中竞争力，自组织和外在线索是影响再生中祖细胞靶向选择的指南;这两种力量共同决定了结果，”Reddien说。

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