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Cell惊人发现:不同寻常的干细胞

发文日期:2016年07月22日文章作者:lxb编辑:lxb浏览量:

   人类大脑皮质包含着160亿个神经元,它们共同连接神秘的分层的回路,对从我们的行走和说话能力、怀旧感到实现未来的理想等一切的事情负责。在人类进化过程中,大脑皮质扩大了1,000倍,而这一过程发生的机制对科学家们而言却仍然是个谜题。

 

  现在,来自加州大学旧金山分校的研究人员成功绘制出了人类大脑中一组独特干细胞的遗传标志,这些干细胞似乎生成了我们大脑皮质中大多数的神经元。

  发表在9月24日《细胞》(Cell)杂志上的新研究发现支持了这一观点:这些不同寻常的干细胞有可能在灵长类动物大脑显著的进化扩张中发挥了重要的作用。

  加州大学旧金山分校Eli和Edyth Broad再生医学与干细胞研究中心主任、发育学与干细胞生物学教授Arnold Kriegstein说:“我们想了解让我们与众不同的基因遗传。研究这些早期发育阶段是了解我们大脑进化最好的机会。”

  由内向外构建大脑

  人类脑皮质具有成百上千种不同的细胞类型,宏伟的脑皮质结构一开始时是一层均一的神经干细胞,在几个月的胚胎发育过程中由内至外构建出了自身。

  直到最近,科学家们对于这一过程大多数的认识都是来自对小鼠模式生物的研究。在小鼠中几乎所有神经元都是由定位在脑室区(VZ)、称作为脑室放射状胶质细胞(vRG)的干细胞生成。但最近的一些研究表明,或许有其他因素参与了人类大脑皮质的发育。

  2010年,Kriegstein在人类大脑中发现了一种新型的神经干细胞,由于这些细胞远离提供营养物的脑室,定位在脑室下区(oSVZ)的外层,被称作为是外层放射状胶质细胞(oRGs)。让研究人员吃惊的是,进一步的研究揭示在人类脑皮质发育的高峰期,大多数的神经元都是在oSVZ而非熟悉的VZ中生成。

  oRG干细胞在小鼠中极为罕见,但在灵长类动物中常见,其样子和行为与熟知的脑室放射状胶质细胞有很大的不同。这一研究发现使得Kriegstein和同事们不禁怀疑,这组不同寻常的干细胞有可能是了解让灵长类动物大脑生长至庞大的体积及如此复杂的机制的关键。

  论文的共同主要作者、Kriegstein实验室的博士后Alex Pollen说:“我们想更多地了解这两种不同的干细胞群之间的差异。我们预计oRGs是人类大脑皮质发育一个主要的贡献者,但起初我们只有间接证据表明这些细胞生成了神经元。”

  外层细胞生成了自身的微环境

  在新研究中,Pollen和共同第一作者、Kriegstein实验室博士后研究人员Tomasz Nowakowski与Fluidigm公司合作,开发出了一种微流体方法来绘制在胚胎发育过程中收集自VZ和SVZ的细胞的转录图谱。他们鉴别了不同神经元类型:新生神经祖细胞和放射状胶质细胞典型的基因表达谱,以及区分oRGs和vRGs分子标记物,使得研究人员能够分离出这些细胞开展进一步的研究。这些基因活性图谱还提供了有关外层放射状胶质细胞的一些新见解。例如,以往研究人员一直困惑远离提供营养物的VZ,ORG细胞能够维持其增殖活力的机制。“在小鼠中,随着细胞远离脑室,它们会丧失分化为神经元的能力,”Kriegstein说。

  但新数据表明ORGs自带支援小组:这些细胞表达的基因编码了一些表面标记物和分子信号,增强了它们自身的增殖能力。

  Pollen说:“这是它们生物学中一个惊人的新特征。它们生成了自己的干细胞微环境。”

  研究人员利用他们的新分子见解第一次从培养物中分离出了ORGs,证实这些细胞是多产的神经元工厂。相比于小鼠VRGs在大脑发育过程中生成10-100个子细胞,一个人类ORG可以生成数千个神经元子细胞和胶质细胞——人们日益认识到这些非神经元脑细胞负责了大脑中各种各样的维持功能。

  关于脑进化,发育和疾病的一些新见解

  发现人类ORGs自我更新微环境及显著的增殖能力进一步强化了这一观点:这些细胞或许对我们灵长类祖先脑皮质扩张负责。

  该研究还为大大改善在培养皿中培育脑回路,反映大脑真实多样性的技术提供了一个机会。这样的技术有潜力推动对小头畸形、无脑回、自闭症和精神分裂症等神经发育和神经精神系统疾病起源的研究,人们认为这些疾病影响了并不存在于研究小鼠模型中的细胞类型。

  研究结果甚至还可能会对研究胶质母细胞瘤产生影响,这种常见的脑癌具有生长、迁移和侵入大脑血液供应的能力,其似乎依赖了与这些神经干细胞中发现的相似的基因活性模式。

  Kriegstein说:“人类和小鼠的大脑皮质如此的不同。如果你对我们大脑的进化机制或是大脑皮质疾病感兴趣,这真是一个令人兴奋的研究发现。”

  Kriegstein说:“目前,我们根本还没有很好地了解大脑的‘零件表’。而像这类的研究开始为我们提供了大脑构建的真正蓝图。”

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