研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種方法描繪視網(wǎng)膜細(xì)胞發(fā)育，這可能推動(dòng)再生醫(yī)學(xué)發(fā)展。

圖片來源：約翰斯·霍普金斯大學(xué)

本報(bào)訊 美國(guó)科學(xué)家日前報(bào)告稱，他們已開發(fā)出一種通過追蹤細(xì)胞內(nèi)表達(dá)基因來描繪中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的方法。這項(xiàng)技術(shù)在小鼠視網(wǎng)膜中得到證實(shí)，其跟蹤了個(gè)體細(xì)胞在發(fā)育過程中使用的基因的活性，使研究人員能夠以前所未有的方式詳細(xì)識(shí)別相關(guān)模式。研究人員表示，這種精確路線圖可在未來用于開發(fā)致盲性疾病和其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病的再生療法。

“這無疑是我們?cè)谥袠猩窠?jīng)系統(tǒng)細(xì)胞發(fā)育方面最全面的路線圖。”約翰斯·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)教授兼細(xì)胞工程研究所成員Seth Blackshaw說。

“如果我們能夠利用這種路線圖讓干細(xì)胞制造某種類型的視網(wǎng)膜細(xì)胞，有朝一日便可以替換因黃斑變性和其他致盲性疾病而喪失的細(xì)胞。”該校博士后Genevieve Stein-O’Brien說。

該研究于5月22日發(fā)布在《神經(jīng)元》雜志網(wǎng)絡(luò)版。Blackshaw表示，視網(wǎng)膜是一種已充分研究的結(jié)構(gòu)，其包含多種存在于神經(jīng)系統(tǒng)其他部分的細(xì)胞類型，因此可以作為一個(gè)極好的范例用于研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育。

構(gòu)成視網(wǎng)膜的各種細(xì)胞類型都由神經(jīng)祖細(xì)胞產(chǎn)生，后者為干細(xì)胞樣細(xì)胞，具有發(fā)育成幾乎任何視網(wǎng)膜細(xì)胞類型的能力，而這取決于在發(fā)育期間開啟和關(guān)閉的基因。創(chuàng)造每種細(xì)胞類型所需的基因模式沿著嚴(yán)格的時(shí)間線出現(xiàn)。神經(jīng)元如視網(wǎng)膜中的吸光視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞均由較年輕的祖細(xì)胞產(chǎn)生，而支持性神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞由較老的祖細(xì)胞產(chǎn)生。

為了詳細(xì)研究這一過程并構(gòu)建路線圖，研究人員首先對(duì)不同發(fā)育時(shí)間點(diǎn)的個(gè)體小鼠視網(wǎng)膜細(xì)胞的脫氧核糖核酸（DNA）進(jìn)行了測(cè)序——從第一代祖細(xì)胞到成年視網(wǎng)膜細(xì)胞。

研究人員隨后將這些信息輸入由Stein-O’Brien開發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)程序，該程序旨在快速壓縮大量遺傳數(shù)據(jù)，將相似細(xì)胞分組，進(jìn)而生成一張路線圖，使研究人員能夠可視化發(fā)育過程。該計(jì)算機(jī)程序同時(shí)形成一個(gè)分支結(jié)構(gòu)，讓研究人員了解哪些細(xì)胞類型會(huì)產(chǎn)生其他細(xì)胞，以及發(fā)生什么樣的遺傳變化，導(dǎo)致小鼠和人類視網(wǎng)膜中出現(xiàn)超過100種細(xì)胞類型。

“該路線圖提供了一種方式，讓我們可以了解個(gè)體基因和基因網(wǎng)絡(luò)對(duì)發(fā)育中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響。”Blackshaw說。

在后續(xù)的一項(xiàng)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，研究人員仔細(xì)研究了3種基因，即核因子1（NFI）a、b和x，這些基因?qū)τ趲椭�祖�?xì)胞確定其年齡以及可以產(chǎn)生的視網(wǎng)膜細(xì)胞類型必不可少。

研究人員對(duì)小鼠進(jìn)行了基因工程改造，使它們大量表達(dá)這3種基因或者完全不表達(dá)，并通過跟蹤在計(jì)算機(jī)程序中的任何給定時(shí)間“開啟”何種基因，觀察其視網(wǎng)膜細(xì)胞生命周期如何改變。

研究人員發(fā)現(xiàn)，NFI基因表達(dá)水平升高的細(xì)胞表現(xiàn)得比實(shí)際年齡更大，并且比正常視網(wǎng)膜祖細(xì)胞產(chǎn)生更多相應(yīng)的細(xì)胞類型（神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞）。相比之下，沒有NFI基因的祖細(xì)胞繼續(xù)產(chǎn)生早期的細(xì)胞類型（如視桿細(xì)胞），并像年輕祖細(xì)胞一樣繼續(xù)分裂。

研究人員表示，他們最終希望將該技術(shù)應(yīng)用于其他細(xì)胞類型，以更好地了解哪些基因影響身體其他組織中的疾病發(fā)展。

“如果我們確切知道祖細(xì)胞如何從未定型干細(xì)胞群發(fā)育成成熟組織，就可以使用這個(gè)路線圖將它們重定向，以沿特定的其他路徑發(fā)育。”該校神經(jīng)科學(xué)助理教授兼McKusick-Nathans遺傳醫(yī)學(xué)研究所Loyal Goff說。（趙熙熙）