성인 다능성 줄기 세포의 배아 기원 발견

[아름이]

성인 다능성 줄기 세포의 배아 기원 발견
날짜:
2022년 12월 8일
원천:
하버드대학교 생물진화생물학과
요약:
연구자들은 아코엘 벌레(Hofstenia miamia)에서 성체 만능 줄기 세포의 형성을 위한 세포 메커니즘과 분자 궤적을 확인했습니다.

줄기 세포는 생물학적 경이로움입니다. 그들은 세포를 수리, 복원, 교체 및 재생시킬 수 있습니다. 대부분의 동물과 인간에서 이러한 세포는 할당된 세포 유형만 재생하는 것으로 제한됩니다. 그래서 모발 줄기세포는 모발만 만들게 됩니다. 장 줄기세포는 장만 만들게 됩니다. 그러나 멀리 떨어져 있는 많은 무척추동물은 성체 동물에서 다능성인 줄기 세포 집단을 가지고 있습니다. 즉, 그들은 거의 모든 누락된 세포 유형, 즉 전신 재생이라고 하는 과정을 재생할 수 있습니다.

이러한 성체 다능성 줄기 세포(aPSC)는 다양한 유형의 동물(예: 스폰지, 히드라, 플라나리아 편충, 아코엘 벌레 및 일부 멍게)에서 발견되지만 이들이 만들어지는 메커니즘은 어떤 종에서도 알려져 있지 않습니다.

하버드 대학의 유기체 및 진화 생물학과의 세포 연구자들은 새로운 연구에서 acoel 웜, Hofstenia miamia 에서 aPSC의 형성을 위한 세포 메커니즘과 분자 궤적을 확인했습니다 .

세줄무늬표범벌레라고도 알려진 H. miamia 는 "neoblasts"라고 불리는 aPSC를 사용하여 완전히 재생할 수 있는 종입니다. H. miamia 를 조각으로 자르면 입에서 뇌까지 모든 것을 포함하여 각 조각이 새로운 몸을 자랄 것입니다. 수석 저자인 Mansi Srivastava 교수 는 재생 능력 때문에 수년 전에 현장에서 H. miamia 를 수집했습니다. 실험실로 돌아온 H. miamia 는 쉽게 연구할 수 있는 많은 배아를 생산하기 시작했습니다.

Srivastava와 공동 저자인 박사후 연구원 Lorenzo Ricci의 이전 연구는 H. miamia의 형질전환을 위한 프로토콜을 개발했습니다. Transgenesis는 일반적으로 해당 게놈의 일부가 아닌 유기체의 게놈에 무언가를 도입하는 과정입니다. 이 방법을 통해 수석 저자인 Julian O. Kimura(PhD '22)는 이러한 줄기 세포가 어떻게 만들어지는지에 대한 그의 질문을 추구할 수 있었습니다.

"재생할 수 있는 동물의 공통적인 특징 중 하나는 다능성 줄기 세포가 성인 신체에 존재한다는 것입니다."라고 Kimura는 말했습니다. "이 세포는 동물이 다쳤을 때 잃어버린 신체 부위를 다시 만드는 역할을 합니다. H. miamia 와 같은 동물이 어떻게 이러한 줄기 세포를 만드는지 이해함으로써 특정 동물에게 재생 능력을 부여하는 것이 무엇인지 더 잘 이해할 수 있다고 느꼈습니다."

피위(Piwi)라고 불리는 유전자의 발현과 같은 성체 동물의 이러한 줄기 세포 집단에는 몇 가지 통일된 특징이 있습니다. 그러나 지금까지 어떤 종에서도 애초에 이러한 줄기 세포가 어떻게 만들어지는지 알아낼 수 있는 사람은 없었습니다. Srivastava는 "대부분 성인 동물의 맥락에서 연구되었으며 일부 종에서는 작동 방식에 대해 조금 알고 있지만 어떻게 만들어지는지는 모릅니다."라고 말했습니다.

연구자들은 새끼 벌레가 aPSC를 포함하고 있다는 것을 알고 있었기 때문에 배아 발생 중에 만들어져야 한다고 추론했습니다. Ricci는 형질전환을 사용하여 Kaede라는 단백질을 세포에 도입함으로써 배아 세포가 형광 녹색으로 빛나는 계통을 만들었습니다. Kaede는 광 변환이 가능합니다. 즉, 매우 특정한 파장의 레이저 빔을 녹색에 비추면 빨간색으로 변환됩니다. 그런 다음 레이저로 세포를 재핑하여 배아의 개별 녹색 세포를 빨간색으로 바꿀 수 있습니다.

Srivastava는 "광 변환과 함께 유전자 변형 동물을 사용하는 것은 우리가 배아 세포의 운명을 파악하기 위해 실험실에서 고안한 매우 새로운 트위스트입니다."라고 말했습니다. Kimura는 이 방법을 적용하여 배아가 자라게 하고 무슨 일이 일어나는지 관찰함으로써 혈통 추적을 수행했습니다.

Kimura는 단일 세포에서 다중 세포로 분열하면서 배아의 발달을 추적했습니다. 이러한 세포의 초기 분열은 정형화된 절단으로 표시되며, 이는 배아에서 배아 세포로 세포가 명명되고 일관되게 연구될 수 있도록 정확히 동일한 패턴으로 분열됨을 의미합니다. 이것은 아마도 모든 단일 세포가 고유한 목적을 가지고 있을 가능성을 높였습니다. 예를 들어, 8세포 단계에서 위쪽 왼쪽 모서리 세포는 특정 조직을 만들고 아래쪽 오른쪽 세포는 다른 조직을 만드는 것이 가능합니다.

각 세포의 기능을 확인하기 위해 Kimura는 초기 배아의 각 세포에 대해 체계적으로 광 변환을 수행하여 8세포 단계에서 전체 운명 지도를 만들었습니다. 그런 다음 그는 벌레가 여전히 빨간색 라벨을 붙인 성인으로 자라는 동안 세포를 추적했습니다. 많은 배아에서 각 개별 세포를 계속해서 따라가는 반복적인 과정을 통해 Kimura는 각 세포가 작동하는 위치를 추적할 수 있었습니다.

16개의 세포 단계 배아에서 그는 신생물로 보이는 세포를 생성하는 매우 특정한 세포 쌍을 발견했습니다. Kimura는 "이것은 우리를 정말로 흥분시켰습니다."라고 Kimura가 말했습니다. 그들이 정말로 신생물이라는 결정적인 증거는 아니었지만, 우리는 그들이 신생물처럼 행동한다는 것을 보여줄 필요가 있었습니다."

확실하게 Kimura는 H. miamia 에서 3a/3b라고 하는 이 특정 세포 집합 을 시험에 넣었습니다. 신아세포가 되기 위해서는 세포가 줄기 세포의 알려진 모든 특성을 충족해야 합니다. 재생 중에 새로운 조직을 만드는 세포의 자손입니까? 연구원들은 예, 그 세포들의 자손만이 재생 중에 새로운 조직을 만들었다는 것을 발견했습니다.

또 다른 정의 속성은 수백 개의 유전자가 발현되어야 하는 줄기 세포의 유전자 발현 수준입니다. 3a/3b가 이 속성에 맞는지 확인하기 위해 Kimura는 3a/3b가 빨간색으로 빛나고 다른 모든 세포가 녹색으로 빛나는 자손을 선택하여 빨간색과 녹색 세포를 분리하는 선별기를 사용했습니다. 그런 다음 그는 단일 세포 시퀀싱 기술을 적용하여 어떤 유전자가 적혈구와 녹색 세포에서 발현되고 있는지 묻습니다. 이 데이터는 분자 수준에서 3a/3b 세포의 자손만이 줄기 세포와 일치하고 다른 세포의 자손과는 일치하지 않는다는 것을 확인했습니다.

Kimura는 "그것은 우리 시스템에서 줄기 세포 집단의 세포 공급원을 발견했다는 사실을 확실히 확인시켜 준 것"이라고 말했습니다. "그러나 중요한 것은 줄기 세포의 세포 공급원을 알면 이제 세포가 성숙함에 따라 세포를 포착하고 이를 만드는 데 관여하는 유전자를 정의할 수 있는 방법을 제공한다는 것입니다."

Kimura는 단일 세포 수준에서 발달의 시작부터 끝까지 배아의 모든 세포에서 어떤 유전자가 발현되고 있는지 자세히 설명하는 방대한 배아 발달 데이터 세트를 생성했습니다. 그는 변환된 3a/3b 세포가 조금 더 발달하도록 허용했지만 부화 단계까지 완전히 도달하지는 못했습니다. 그런 다음 그는 분류 기술을 사용하여 이러한 세포를 포착했습니다. 이렇게 함으로써 Kimura는 줄기 세포를 만드는 세포 계통에서 어떤 유전자가 구체적으로 발현되고 있는지 명확하게 정의할 수 있었습니다.

"우리의 연구는 줄기 세포의 형성을 위한 매우 중요한 컨트롤러가 될 수 있는 일련의 유전자를 밝혀냈습니다."라고 Kimura는 말했습니다. "이 유전자의 상동체는 인간 줄기 세포에서 중요한 역할을 하며 이는 종 전체에 관련이 있습니다."

Srivastava는 "Julian은 배아에서 줄기 세포가 어떻게 만들어지는지 연구하기 위해 제 연구실에서 시작했습니다. 그가 졸업했을 때 그것을 알아냈다는 것은 놀라운 이야기입니다."라고 말했습니다.

연구원들은 Hofstenia miamia 의 줄기 세포에서 이러한 유전자가 어떻게 작동하는지에 대한 메커니즘을 더 깊이 파고들 계획입니다 . aPSC의 분자 조절자를 알면 연구자들이 종 전체에 걸쳐 이러한 메커니즘을 비교할 수 있어 다능성 줄기 세포가 동물 전체에서 어떻게 진화했는지 밝힐 수 있습니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/