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相同的干細胞如何變成復雜的發揮著各種各樣功能的體細胞？干細胞如何分化為人體中的多種細胞類型是現代醫學科學的一個謎。在一項新的研究中，來自德國馬克斯-德爾布呂克分子醫學中心（MDC）和亥姆霍茲中心的研究人員通過將復雜的單細胞RNA技術與核酸測序和計算方法相結合，構建出一種完整而又復雜的成年動物---具體而言是地中海圓頭渦蟲，學名Schmidtea mediterranea---的詳細細胞圖譜，并重建出所有被鑒定出的細胞的譜系樹。他們的研究結果也為細胞再生功能提供了新的見解。相關研究結果于2018年4月19日在線發表在Science期刊上，論文標題為“Cell type atlas and lineage tree of a whole complex animal by single-cell transcriptomics”。論文通信作者為MDC柏林醫學系統生物學研究所主任Nikolaus Rajewsky教授。論文*作者為MDC柏林醫學系統生物學研究所的Mireya Plass博士和Jordi Solana博士。
圖片來自Salah Ayoub, BIMSB/MDC和Jordi Solana, BIMSB/MDC。
諸如地中海圓頭渦蟲之類的真渦蟲（planarian）是受歡迎的研究對象，這是因為它們是永生的：當被切割成多個小塊時，每個小塊也能夠*地再生出完整的個體。它們擁有大量的成體多能性干細胞，這些干細胞不斷地更新所有組織和細胞類型。Plass說，“為了理解細胞如何分化，我們需要比較處于不同分化階段的細胞的基因表達譜，就像我們在真渦蟲中發現的那樣。我們對整個真渦蟲進行解離，并且通過對它們的mRNA轉錄本進行測序，描述了成千上萬個細胞。”這些研究人員鑒定出37種不同的細胞類型，它們中的23種是終末分化的，此外還有多種干細胞和所謂的處于不同分化階段的祖細胞。
論文共同作者、MDC柏林醫學系統生物學研究所的Christine Kocks博士說，“我們隨后利用一種新的計算算法，即由Alexander Wolf博士和Fabian Theis教授開發出的PAGA，預測一種包括所有被鑒定出的由同一個干細胞群體產生的細胞類型的譜系樹。”這些研究人員隨后將這種預測結果與其他的計算和實驗方法---對純化的干細胞和來自干細胞已被耗盡的真渦蟲的細胞進行測序；基因表達變化；來自PAGA 的無監督譜系樹預測；一種近期發布的被稱作velocyto的方法，它利用依據前體形式和成熟形式的mRNA轉錄本估計的mRNA代謝預測未來的細胞狀態---相結合，構建出一種強健的由多種獨立的證據證實的譜系樹。此外，他們能夠鑒定出參與沿著這種譜系樹的細胞分化過程的基因程序。
這些研究人員還發現了幾種新的細胞類型，它們位于之前在分子研究中被忽略的真渦蟲實質組織（parenchyma）中，并且在真渦蟲的再生過程中發揮重要作用。這些細胞所占的比例在再生中的真渦蟲內顯著減少，這提示著這些細胞促進真渦蟲中的“身體重塑”過程。
通過一種交互式應用程序（https://shiny.mdc-berlin.de/psca/），科學家們能夠查詢這些數據并且研究細胞分化和再生期間的特定基因表達變化。利用PAGA和velocyto進行細胞譜系樹構建的詳細在線教程（https://github.com/rajewsky-lab/planarian_lineages）將為未來的研究提供指導。（生物谷 Bioon.com）
參考資料：
Mireya Plass1,*, Jordi Solana1,*,†, F. Alexander Wolf et al. Cell type atlas and lineage tree of a whole complex animal by single-cell transcriptomics. Science, Published online: 19 Apr 2018, doi:10.1126/science.aaq1723
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