在发育过程中,所谓的祖细胞会产生不同类型的神经元
通过用DNA条形码标记祖细胞,研究人员可以追踪哪些细胞类型起源于哪些祖细胞
学分:神经生物学MPI/Kuhl 我们的大脑极其复杂,执行着无数复杂的过程,这些过程让我们能够思考、移动和感受
这是可能的,因为大脑中不同细胞类型的巨大差异,每个细胞都有非常特殊的功能
马克斯·普朗克神经生物学研究所的研究人员和一个国际团队一起调查了这种多样性是如何产生的
他们建立了一种方法来分析小鼠大脑中细胞类型的发育关系
他们的结果表明,细胞类型的相似性并不能衡量关系的程度:相似细胞类型的细胞通常是不相关的
相反,不同类型的细胞可以有相同的起源
我们的身体由数百种细胞组成,每一种都有非常特殊的功能
这些细胞的性质可能有很大的不同——例如,通过比较血细胞和皮肤细胞,可以清楚地看到这一点
然而,每个细胞都携带相同的遗传信息
多样性是可能的,因为细胞不使用所有这些信息
每种细胞类型只激活它实际需要的基因
然后这个子集被翻译成核糖核酸和蛋白质,产生一种非常特殊的细胞类型
大多数细胞的命运是在发育过程中决定的
非分化细胞成熟为特定细胞类型的过程称为分化
没有分化,受精卵细胞就不能产生具有不同组织类型的生物体
最初,卵细胞能够形成任何细胞类型
在其后代细胞中,这种能力逐渐降低,因此在胚胎发育接近尾声时,细胞通常只能分化成一种特定的细胞类型
大脑中种类繁多 在大脑中发现了特别多种细胞类型,其中大多数是神经胶质细胞和神经元
这些可以进一步分为各种特殊的细胞类型:仅抑制性神经元就有100多种不同的类型
它们起源于发育初期分裂数次的神经祖细胞
后来,它们的子细胞产生了不同的细胞类型
一个尚未解决的问题是,这种巨大的细胞类型多样性是如何在人类体内几周内或小鼠体内几天内从未分化的祖细胞中产生的
克里斯蒂安·迈尔领导的一个国际研究小组调查了老鼠大脑中细胞多样性的产生机制
研究人员特别感兴趣的是不同的细胞类型是否可以起源于单个祖细胞,以及在发育过程中的什么时间点神经元的命运被决定
由人工DNA制成的条形码 科学家们开发了一种标记祖细胞的新技术
为此,他们创造了数百万个人工DNA序列,即所谓的条形码
通过在每个细胞中插入一个条形码,数以千计的祖细胞被独特地标记——类似于我们已知的用于扫描消费品的条形码
当一个标记的细胞分裂时,它会将条形码传递给它的子细胞,从而可以识别哪些细胞是彼此的后代
研究人员将这种方法与单细胞核糖核酸测序相结合,这种方法可以识别细胞中所有的活性基因
基于这些信息,他们能够将条形码标记的细胞分为不同的细胞类型
通过结合这两种方法,科学家们表明,细胞类型和它们之间的相似性不能用来对发育关系做出假设:与通常认为的相反,相似细胞类型的细胞通常不能追溯到发育的共同起源
这意味着不相关的祖细胞可以产生相似的细胞类型(会聚)
来自单一祖细胞的不同细胞类型 科学家们还能够在抑制性神经元中证明相反的情况:即使不同大脑结构中的不同细胞类型也可以来自同一个祖细胞(分化)
在这种情况下,祖细胞似乎决定了神经元的命运——因此分化始于祖细胞水平,而不是后来由于外部信号
因此,一个祖细胞可以产生各种类型的神经元细胞,令人惊讶的是,这种情况一直持续到发育后期——当时人们认为这种潜能已经不存在了
科学家们预计,基于这些结果,神经发育障碍将在未来得到更好的理解
例如,检查细胞的发育关系可以提供信息,说明为什么某些神经元群体会受到导致神经和精神疾病的基因突变的影响
此外,这种新方法可以扩展到任何其他组织类型,从而开辟了一个巨大的应用范围
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