特黑德研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種再生框架，可以解釋和預(yù)測(cè)成體，再生組織中的干細(xì)胞如何確定在何處形成替代結(jié)構(gòu)。

在3月15日在線發(fā)表在“科學(xué)”雜志上的一篇論文中，研究人員描述了一種用于渦蟲(扁蟲)眼再生的模型，該模型由三個(gè)協(xié)同作用的原理控制，這三個(gè)原理通知祖細(xì)胞在再生過程中的表現(xiàn)。該模型調(diào)用創(chuàng)建可伸縮地圖的位置線索;自我組織，吸引祖先到現(xiàn)有結(jié)構(gòu);和祖細(xì)胞起源于彌散的空間區(qū)域，而不是精確的位置，允許其路徑的靈活性。這些原則似乎決定了祖細(xì)胞如何決定在再生過程中去哪里重建形式和功能，它們使我們更接近系統(tǒng)層面對(duì)過程的理解。

從以前的研究中，研究人員知道干細(xì)胞很可能從相鄰組織中讀出指導(dǎo)來指導(dǎo)它們的路徑，并且很明顯這個(gè)過程在再生過程中面臨著一些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。“我們意識(shí)到位置信息必須移動(dòng);它需要在再生過程中進(jìn)行更改以指定要重新生成的新缺失部分。這些修訂后的信息可以指導(dǎo)選擇制作新結(jié)構(gòu)的祖細(xì)胞分化為正確的解剖結(jié)構(gòu)。正確的位置，“該論文的資深作者彼得雷丁，白石研究所研究員，麻省理工學(xué)院生物學(xué)教授和霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所(HHMI)調(diào)查員說。“然而，出現(xiàn)了一個(gè)難題。由于位置信息在再生過程中受傷后會(huì)發(fā)生變化，在位置信息模式和剩余的解剖模式之間存在不匹配。意識(shí)到存在這種不匹配是我們研究的一個(gè)觸發(fā)因素。我們想了解如何干細(xì)胞使特定組織決定去哪里和分化。它是基于解剖學(xué)，還是基于位置信息?當(dāng)這兩件事情不一致時(shí)，他們又如何決定呢?“

Reddien和他的實(shí)驗(yàn)室花了十多年的時(shí)間，用一種叫做渦蟲的扁蟲來解開再生的奧秘。如果將渦蟲的頭部截肢，或者將其側(cè)面移除，則每個(gè)部分將再生整個(gè)動(dòng)物。為了了解祖先如何決定在動(dòng)物再生的嘈雜環(huán)境中去哪里，研究人員使用了渦蟲眼，這是一種可見的器官，足夠小，可以在沒有嚴(yán)重?fù)p傷的情況下被移除，并具有定義祖細(xì)胞分子標(biāo)記的額外優(yōu)勢(shì)。 。

研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來解決祖先如何決定去哪里的問題：截?cái)鄤?dòng)物的頭部，然后在三天后從頭部移除一只眼睛。他們發(fā)現(xiàn)的是祖細(xì)胞將眼睛在前眼部(更靠近尖端)的位置成核到剩余眼睛，而不是在解剖學(xué)指定的“正確”位置，與當(dāng)前眼睛對(duì)稱。然而，如果進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，除了其中一只眼睛在截肢前一天從頭部移開，而不是三天后 - 會(huì)有不同的結(jié)果：新眼睛在對(duì)稱的位置成核根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)，在剩下的眼睛處于“正確”位置，這表明當(dāng)選擇相互沖突時(shí)，解剖學(xué)自組織動(dòng)力學(xué)獲勝。

這些簡(jiǎn)單的規(guī)則指導(dǎo)系統(tǒng)成功再生，并且當(dāng)系統(tǒng)被推到極限時(shí)產(chǎn)生令人驚訝的結(jié)果，產(chǎn)生具有三眼，四眼和五眼動(dòng)物的替代穩(wěn)定解剖狀態(tài)。切除動(dòng)物的側(cè)面和截?cái)囝^部可以使祖先遠(yuǎn)離現(xiàn)有的自組織吸引器，使它們錯(cuò)過它們，使它們能夠成核新的吸引子 - 第三只眼睛 - 在頭部碎片中。“如果遷移的祖先太靠近現(xiàn)有眼睛的吸引子，它就會(huì)吸入它們，就像一個(gè)黑洞;如果它們足夠遠(yuǎn)，它們就可以逃脫，”該論文的第一作者Kutay Deniz Atabay說。和Reddien實(shí)驗(yàn)室的研究生。

當(dāng)研究人員對(duì)三眼動(dòng)物進(jìn)行同樣的手術(shù)時(shí)，祖先會(huì)錯(cuò)過現(xiàn)有眼睛的吸引力并形成五眼動(dòng)物。在這些情況中的每一種情況下，所有的眼睛在功能上都集成到大腦中并且表現(xiàn)出與渦蟲眼睛相同的避光響應(yīng)。研究人員還觀察到這些替代解剖學(xué)狀態(tài)持久，揭示維持現(xiàn)有和替代解剖結(jié)構(gòu)的規(guī)則。“這個(gè)食譜有助于解釋動(dòng)物再生的基本問題，即遷移祖先如何做出選擇，導(dǎo)致系統(tǒng)再生和維持器官，”Atabay說。

“這些研究有助于提出一種建議的再生框架，其中競(jìng)爭(zhēng)力，自組織和外在線索是影響再生中祖細(xì)胞靶向選擇的指南;這兩種力量共同決定了結(jié)果，”Reddien說。