幹細胞是一個了不起的生物奇蹟，它具有修復、替換和再生細胞的能力。在大多數動物和人類中，幹細胞只限於生成特定類型的細胞。例如，毛髮幹細胞只會產生毛髮，而腸道幹細胞只會產生腸子。然而，許多遠緣無脊椎動物的干細胞群在成年動物中是多能的，這意味著它們可以再生出幾乎任何缺失的細胞類型，這一過程被稱為全身再生。

儘管這些成體多能幹細胞（aPSCs）存在於各種動物物種中，如海綿、水螅、平面扁蟲、阿庫爾蠕蟲和一些海鞘，但它們如何產生的機制在任何物種中仍然是未知的。

在發表在《細胞》雜誌上的一項新研究中，哈佛大學有機和進化生物學系的研究人員已經確定了無尾熊蟲（Hofstenia miamia）形成APSCs的細胞機制和分子軌跡。

圖片顯示胚胎的單個細胞是如何為這項研究專門和系統地轉化為紅色的。資料來源：Julian Kimura

H. miamia，也被稱為三帶豹形蟲，是一個可以使用被稱為”新細胞”的APSCs完全再生的物種。將H. miamia切成碎片，每一塊都會長出一個新的身體，包括從嘴巴到大腦的一切。高級作者Mansi Srivastava教授多年前在野外收集了H. miamia，因為它具有再生能力。一旦回到實驗室，H. miamia開始產生許多個體，可以很容易地進行研究。

在Srivastava和合著者博士後研究員Lorenzo Ricci之前的一項研究中開發了一個H. miamia的轉基因協議。轉基因是一個將通常不屬於生物體基因組的東西引入該基因組的過程。這種方法使主要作者Julian O. Kimura（22歲的博士）能夠繼續他的問題，即這些幹細胞是如何產生的。

研究人員發現，在能夠再生的動物中，一個共同的特點是在成年體內存在多能幹細胞，這些細胞負責在動物受傷時重新製造缺失的身體部位。通過了解像H. miamia這樣的動物如何製造這些幹細胞，可以更好地了解是什麼讓某些動物具有再生能力。

一對細胞在16細胞階段的胚胎轉化為紅色。隨著時間的推移，細胞分裂出更多的細胞，進入胚胎內部，並形成孵化後的蠕蟲的干細胞。資料來源：Julian Kimura

成年動物中的這些幹細胞群有一些統一的特徵，如表達一種叫做Piwi的基因。但到目前為止，還沒有人能夠弄清楚這些幹細胞首先是如何產生的。”它們大多是在成年動物的背景下被研究的，”Srivastava說，”在一些物種中，我們知道一點它們可能是如何工作的，但我們不知道它們是如何製造的。”

研究人員知道蠕蟲幼體含有APSCs，因此推斷它們一定是在胚胎髮育過程中產生的。Ricci使用轉基因技術創造了一個品系，由於將蛋白質Kaede引入細胞，使胚胎細胞發出熒光綠光。Kaede是可光轉化的，這意味著用非常特定波長的激光束照射綠色會將其轉化為紅色,然後可以用激光照射細胞，將胚胎的個別綠色細胞變成紅色。

利用轉基因動物的光轉換是我們在實驗室裡設計的一個非常新的轉折，以弄清胚胎細胞的命運。應用這種方法，研究人員通過讓胚胎生長和觀察所發生的事情來進行血統追踪。

8細胞階段的胚胎的一個單細胞轉化為紅色。隨著時間的推移，該細胞分裂出更多的細胞，這些細胞最終構成了孵化出的蟲子的大部分皮膚。資料來源: Julian Kimura

Kimura跟踪了胚胎的發展，因為它從一個細胞分裂到多個細胞。這些細胞的早期分裂以定型裂解為標誌，這意味著胚胎到胚胎的細胞以完全相同的模式分裂，這樣就可以對細胞進行一致的命名和研究。這提出了一種可能性，即也許每一個細胞都有一個獨特的目的。例如，在八細胞階段，有可能頂部、左角的細胞製造某種組織，而底部、右邊的細胞則製造另一種組織。

為了確定每個細胞的功能，木村系統地對早期胚胎的每個細胞進行了光電轉換，在八細胞階段創建了一個完整的命運圖。然後，當蠕蟲成長為仍然帶有紅色標籤的成年時，他跟踪了這些細胞。在許多胚胎中反复跟踪每個細胞的過程使木村有可能追踪每個細胞的工作位置。

在16個細胞階段的胚胎中，他發現了一對非常特殊的細胞，這些細胞產生了看起來是新細胞的細胞。雖然這一發現很令人興奮，但仍有一種可能性，即新細胞來自早期胚胎的多個來源，而不僅僅是在16個細胞階段發現的兩對。發現在外觀上類似於新細胞的細胞並不能確定它們真的是新細胞，需要證明它們的行為也像新細胞。

為了確定這一點，Kimura將這組特殊的細胞（在H. miamia中稱為3a/3b）進行試驗。為了成為新細胞，這些細胞必須滿足乾細胞的所有已知特性。這些細胞的後代在再生過程中是否在製造新組織？研究人員的新發現確認了這一事實，只有這些細胞的後代在再生期間製造新組織。

另一個決定性的屬性是乾細胞的基因表達水平，它們必須有數百個基因表達。為了確定3a/3b是否符合這一特性，Kimura將3a/3b發紅光的後代和所有其他細胞發綠光的後代，用一台分揀機將紅綠細胞分開。然後他應用單細胞測序技術來詢問，哪些基因在紅細胞和綠細胞中被表達。該數據證實，在分子水平上，只有3a/3b細胞的後代與乾細胞匹配，而不是任何其他細胞的後代。

因此，研究人員可以明確確認，在他們的系統中找到了乾細胞群的細胞來源。但是，重要的是，知道了乾細胞的細胞來源後，就有辦法在細胞成熟時捕捉它們，並確定哪些基因參與了製造它們。

木村在單細胞水平上生成了一個巨大的胚胎髮育數據集，詳細說明了從發育開始到結束，哪些基因在胚胎的所有細胞中被表達。他允許轉換後的3a/3b細胞進一步發展，但不是一直發展到孵化階段。然後他使用分選技術捕獲這些細胞。通過這樣做，木村可以清楚地定義哪些基因在製造幹細胞的細胞系中被特別表達。

研究人員計劃繼續深入挖掘這些基因在Hofstenia miamia的干細胞中是如何工作的機制，這將有助於告訴人們自然界是如何進化出一種製造和維持多能幹細胞的方式。了解APSCs的分子調節器將使研究人員能夠跨物種比較這些機制，揭示多能幹細胞是如何在動物間進化的。