控制干细胞的主基因的进化起源揭示

跳动的心脏。一个将血液输送到动物和人类全身的复杂器官。跟实验室里的培养皿不太一样。

但这在未来可能会改变，并挽救那些自身器官衰竭的人的生命。现在这项研究离这个目标又近了一步。

为了设计人造器官，你首先必须了解干细胞和控制它们非凡特性的遗传指令。

诺和诺德基金会干细胞医学中心(reNEW)的Joshua Mark Brickman教授发现了一个主控基因的进化起源，该基因作用于指导干细胞的基因网络。

“干细胞研究的第一步是了解支持所谓多能干细胞的基因调控网络。了解它们的功能是如何在进化过程中得到完善的，可以帮助我们了解如何构建更好的干细胞。”

多能干细胞是可以发育成所有其他细胞的干细胞。例如，心脏细胞。如果我们了解了多能干细胞是如何发育成心脏的，那么我们就离在实验室里复制这一过程又近了一步。

“活化石”是理解干细胞的关键

干细胞的多能性——这意味着这些细胞可以发育成任何其他细胞——传统上被认为与哺乳动物有关。

现在，约书亚·马克·布里克曼和他的同事们发现，控制干细胞并支持多能性的主基因也存在于一种叫做腔棘鱼的鱼体内。在人类和老鼠中，这种基因被称为OCT4他们发现腔棘鱼的版本可以取代小鼠干细胞中的哺乳动物版本。

除了腔棘鱼与哺乳动物属于不同的类别这一事实外，它还被称为“活化石”，因为它大约在4亿年前进化成今天的样子。它的鳍形状像四肢，因此被认为是最早从海洋搬到陆地上的动物。

助理教授Molly Lowndes解释说:“通过研究它的细胞，你可以追溯到进化的过程。”

助理教授Woranop Sukparangsi继续说道:

“控制干细胞基因网络的核心因素是在腔棘鱼中发现的。这表明该网络在进化早期就已经存在，可能早在4亿年前就存在了。”

通过研究其他物种的网络，比如这条鱼，研究人员可以提炼出支持干细胞的基本概念是什么。

“回到进化的美妙之处在于生物体变得更简单。例如，它们只有一些基本基因的一个拷贝，而不是许多版本。这样，你就可以开始分离对干细胞真正重要的东西，并用它来改进在培养皿中培养干细胞的方式，”博士生埃琳娜·摩根蒂说。

鲨鱼、老鼠和袋鼠

除了研究人员发现干细胞周围的网络比之前认为的要古老得多，并且在古代物种中发现，他们还了解到进化是如何精确地修改基因网络来支持多能干细胞的。

研究人员观察了40多只动物的干细胞基因。比如鲨鱼、老鼠和袋鼠。选择这些动物是为了提供进化中主要分支点的良好样本。

研究人员利用人工智能建立了不同OCT4蛋白的三维模型。研究人员可以看到，蛋白质的一般结构在进化过程中保持不变。虽然已知这些蛋白质对干细胞很重要的区域不会改变，但这些蛋白质明显不相关区域的物种特异性差异改变了它们的方向，可能影响其支持多能性的程度。

“这是一个非常令人兴奋的进化发现，在新技术出现之前是不可能的。你可以把它看作是一种进化，我们不会对‘车里的引擎’进行修修补练，但我们可以移动引擎，改进传动系统，看看它是否能让汽车跑得更快，”约书亚马克布里克曼说。

参考:Sukparangsi W, Morganti E, Lowndes M，等。脊椎动物OCT4/POU5支持多能性功能的进化起源。Nat Commun．2022; 13(1): 5537。doi:10.1038 / s41467 - 022 - 32481 - z

这篇文章是根据以下内容重新发表的材料．注:材料可能因长度和内容而被编辑。欲了解更多信息，请与引用的来源联系。