鉴定再生蠕虫中成体多能干细胞的胚胎起源

撰文 | Qi

在许多远缘无脊椎动物中存在能促进全身再生和稳态组织更新的成体多能干细胞（aPSCs）群，而在哺乳动物中并不存在。哺乳动物中的胚胎干细胞（ESCs）中多能性调节的潜在机制是已知的，但在发育过程中逐渐失去它们的效力。因此，需要对具有aPSCs的动物进行研究，以揭示多能干细胞是如何首先被指定并在体内维持到成年的。功能性干细胞出现的时间和aPSC标记基因的表达已经得到研究【1, 2】，但形成aPSC的潜在细胞和分子机制仍然未知。

2022年12月8日，来自哈佛大学的Mansi Srivastava团队在Cell杂志上发表了一篇题为Embryonic origins of adult pluripotent stem cells的文章，他们标记并追踪了Hofstenia miamia（具有再生能力的蠕虫）胚胎从发育到孵化的卵裂球，并确定了一对处于16细胞阶段的细胞作为neoblasts的主要胚胎来源，并将追踪和分离neoblasts谱系的能力与胚胎单细胞图谱相结合，确定了与neoblasts形成相关的分子轨迹。

研究人员首先利用具有Kaede蛋白组成型表达（可以在卵裂球中进行光转化）的转基因胚胎，以追踪每个细胞对蠕虫组织的贡献，从而确定neoblasts的细胞来源。通过对卵裂球的分裂过程观察发现在16细胞阶段的小分裂球3a/3b（图1）（命名：3a/3b和3A/3B表示第三次不对称分裂产物）表现出neoblasts的形态特征。由于Hofstenia neoblasts存在三个关键的功能特性：1）有助于再生组织；2）有助于维持成熟组织稳态；3）辐射敏感性。为了确认两者是否在功能上也存在相似性，作者对上述三个关键功能特性进行验证，比如对3a/3b进行光转化，在发育时将蠕虫截断并专注于伤口部位新组织生长，如果3a/3b子代细胞参与组织再生，预计在胚芽中能观察到红色的光转化细胞。结果与预期一致，但作为对照，作者未检测到16细胞阶段其他细胞填充胚芽的能力。此外，作者发现3a/3b子代细胞在暴露于辐射后7天内完全消融，而其他细胞并未出现这种情况。根据这些结果，作者推测3a/3b可能是neoblasts的胚胎来源。

为了验证这一推测，作者进一步确定了3a/3b子代细胞的转录组学特征，对3a/3b进行光转化，并应用FACS根据转化（红色）与未转化（绿色）荧光来分离细胞，对scRNA-seq结果分析得到可能代表表皮、神经、消化等的8个细胞簇，与neoblasts相匹配的几乎完全由红色光转化细胞（52/54个细胞）组成，这表明大多数表现出neoblasts样转录组学特征的来源于3a/3b细胞。

接下来，作者想知道与Hofstenia胚胎中aPSC形成相关的分子成分，也就是哪些分子参与并推动了3a/3b细胞向neoblasts发展。于是利用InDrops【3】生成胚胎单细胞图谱，获得了跨越8个不同发育时间点的51000个细胞的转录组并进行UMAP分析，利用轨迹推理工具URD【4】来明确假定的分化路径及分子组成。除了发现在红色细胞（3a/3b子代）和绿色细胞（其他卵裂球细胞子代）中共享的转录因子hes外，还鉴定了特定于neoblasts细胞的foxo和tbx。为了确认后两者与胚胎neoblasts的谱系相关性，作者进行了原位杂交实验，一方面观察到foxo和tbx在胚胎发生过程中也表达hes的细胞中表达，一方面观察到表达foxo和tbx的细胞在幼体中以neoblasts样模式分布，foxo和tbx RNAi会导致再生减少，RNAi动物在稳态期间显示piwi-1表达减少。这些数据表明显示hes、foxo和tbx是neoblasts形成分子轨迹的一部分，并指出foxo和tbx可能是胚胎发育过程中neoblasts形成的特定调节因子。

总之，这项工作通过生成高度再生蠕虫Hofstenia miamia早期胚胎细胞的完整命运图，揭示了neoblasts的胚胎细胞来源，并确定了与这些aPSCs形成相关的特定调节因子。鉴定胚胎neoblasts谱系及其分子成分可作为剖析胚胎发育过程中 aPSCs形成和维持的遗传机制的切入点。除了破译干细胞的关键调节因子外，这些机制还将能够对远缘物种中aPCSs的推定同源性进行强有力的评估。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.11.008

制版人：十一

参考文献

1. Yeo, J.C., and Ng, H.H. (2013). The transcriptional regulation of pluripotency.Cell Res.23, 20–32.

2. Davies, E.L., Lei, K., Seidel, C.W., Kroesen, A.E., McKinney, S.A., Guo, L., Robb, S.M., Ross, E.J., Gotting, K., and Alvarado, A.S. (2017). Embryonic origin of adult stem cells required for tissue homeostasis and regeneration.eLife6, e21052

3. Zilionis, R., Nainys, J., Veres, A., Savova, V., Zemmour, D., Klein, A.M., and Mazutis, L. (2017). Single-cell barcoding and sequencing using droplet microfluidics.Nat. Protoc.12, 44–73.

4. Farrell, J.A., Wang, Y., Riesenfeld, S.J., Shekhar, K., Regev, A., and Schier, A.F. (2018). Single-cell reconstruction of developmental trajectories during zebrafish embryogenesis.Science360, eaar3131.