地球上已經(jīng)進(jìn)化出各種形式的復(fù)雜多細(xì)胞生物，從僅具有 2 種細(xì)胞類型的簡單的沃爾沃克斯菌到擁有 200 多種細(xì)胞類型的我們?nèi)祟悺Ｋ羞@些都起源于單細(xì)胞受精卵，它們的發(fā)育過程取決于開關(guān)樣基因調(diào)控。這些過程已經(jīng)在一些模式生物中得到了非常詳細(xì)的研究，例如線蟲C. elegans和果蠅 D. melanogaster。眾所周知，參與多細(xì)胞生物發(fā)育的關(guān)鍵分子和機(jī)制在物種間是高度保守的。
同樣值得注意的是，只有少數(shù)參與多細(xì)胞生物發(fā)育的分子和機(jī)制才能產(chǎn)生如此巨大的形式和復(fù)雜性多樣性。最近，基礎(chǔ)科學(xué)研究所軟物質(zhì)和生命物質(zhì)中心的研究人員使用簡單的數(shù)學(xué)模型研究了如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。通過這項(xiàng)工作，他們試圖回答兩個看似相反的問題：通過發(fā)育產(chǎn)生的多樣性的極限是什么，以及所有多細(xì)胞生物在發(fā)育過程中共有哪些共同特征。
三個過程對于所有多細(xì)胞生物的生物發(fā)育都是共同的：細(xì)胞分裂、細(xì)胞信號傳導(dǎo)和基因調(diào)控。因此，本研究的模型生成了數(shù)百萬條這樣的規(guī)則，并以公正的方式對其進(jìn)行了探索。模型生成的映射代表了在生物體的生命周期中一種細(xì)胞類型如何轉(zhuǎn)化為另一種細(xì)胞類型。傳統(tǒng)上，以前基于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)的細(xì)胞類型圖傾向于樹狀，干細(xì)胞位于樹的根部，越來越多的特化細(xì)胞沿著樹枝出現(xiàn)在下游。然而，新數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生的細(xì)胞類型圖遠(yuǎn)非樹狀。發(fā)現(xiàn)細(xì)胞類型的不同分支之間存在許多交聯(lián)。這些導(dǎo)致了有向無環(huán)圖，并且發(fā)現(xiàn)樹譜系是最不普遍的。這意味著在模型生成的地圖中，多條發(fā)展路線有可能會聚到終端細(xì)胞類型上。
令人驚訝的是，還發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生的許多生物都具有再生丟失細(xì)胞的能力，而無需作者強(qiáng)加任何選擇。當(dāng)從成年生物體中分離出一種細(xì)胞類型時，單個細(xì)胞可以轉(zhuǎn)化并補(bǔ)充所有其他細(xì)胞類型。這種產(chǎn)生身體所有細(xì)胞的能力被稱為多能性，這些細(xì)胞賦予模型中的生物體全身再生的能力。有趣的是，與其他圖形類型相比，大多數(shù)樹型譜系包含很少的多能細(xì)胞。
雖然包括人類在內(nèi)的哺乳動物尤其不擅長再生受損部位，但蠕蟲和九頭蛇等許多動物在這種能力方面卻異常出色。事實(shí)上，全身再生在多細(xì)胞動物生命樹中廣泛發(fā)生，因此有人假設(shè)全身再生可能是生物發(fā)育本身的附帶現(xiàn)象。在這個非常簡化的模型中出現(xiàn)多能性的事實(shí)表明，由于發(fā)展過程本身，這種特性確實(shí)很可能出現(xiàn)，并且不需要特殊的額外組件來將其放置到位。
除了這些結(jié)果，預(yù)計(jì)該模型的框架可用于研究發(fā)展的更多方面。該生成模型簡單且模塊化，可以輕松擴(kuò)展以探索本研究未包括的重要過程，例如細(xì)胞空間排列的影響和細(xì)胞死亡的影響。研究人員進(jìn)一步描述了一些可能的現(xiàn)實(shí)生活實(shí)驗(yàn)，以測試他們的數(shù)學(xué)模型所做的一些預(yù)測。希望該模型的框架將被證明有助于揭示發(fā)育的新特征，這可能對發(fā)育生物學(xué)和再生醫(yī)學(xué)具有廣泛的影響。
標(biāo)簽： 細(xì)胞譜系
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