【学术前沿】Nature子刊│中国科学院杨运桂/蔡军/张世华通过时空转录组图谱揭示涡虫再生的动态特…

涡虫的全身再生是一个自然的奇迹，但它是如何发生的仍然难以捉摸。它需要剩余组织中每个细胞的协调反应，并具有空间意识，以再生新细胞和缺失的身体部位。虽然以前的研究确定了对再生至关重要的新基因，但需要一种更有效的筛选方法，可以在空间环境中识别再生相关基因。

2023年6月2日，中国科学院北京基因组研究所杨运桂、蔡军和中国科学院数学与系统科学研究院张世华等团队合作在Nature Communications 发表题为“Spatiotemporal transcriptomic atlas reveals the dynamic characteristics and key regulators of planarian regeneration”的研究论文，该研究提出了涡虫再生的全面三维时空转录组景观，描述了一种多能性新生细胞亚型，并表明其标记基因的消耗使涡虫更容易受到亚致死辐射的影响。

该研究确定了对组织发育至关重要的空间基因表达模块。对空间模块（如plk1）中枢基因的功能分析表明了它们在再生中的重要作用。三维转录组图谱为破译再生和鉴定体内平衡相关基因提供了强大的工具，并为涡虫再生研究提供了公开的在线时空分析资源。

了解组织和器官再生的基本原理，有利于推动现代人类医学的革命。哺乳动物系统有限的再生能力导致研究人员求助于一种称为涡虫的扁虫，具有在受伤时以高度组织的方式再生任何缺失部分的能力。因此，涡虫成为研究深入再生机制的理想模型。其强大的再生能力最初受益于含有多能干细胞的增殖细胞群，也称为新生细胞，其广泛分布在全身，占全虫体细胞的25-30%。它们可以分化成近40种细胞，包括神经细胞和种系细胞，负责生理稳态、生长和再生。除了新生细胞，其他细胞类型对于再生的成功结果也是必不可少的。因此，再生过程需要许多不同细胞类型之间的复杂协调。

涉及多个信号通路的几个重要基因已被证明可以精确调节涡虫的再生过程，使涡虫能够在受伤后准确地再生适当的组织。极性的建立影响涡虫的再生，其中极性基因的表达调节前后极性（A-P）的建立。人们已经做出了长期的努力，以寻找涡虫再生所必需的关键调节因素。根据所采用的方法，过去的大多数研究可以分为两类，它们要么敲低已经在其他模型系统中说明的经典信号通路的组成部分，要么是靶向筛选。这些方法主要集中在涡虫系统中已知功能的基因上，筛选涡虫再生具有新功能的基因的通量非常有限。

单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术促进了再生涡虫转录组细胞图谱的分析。根据细胞图谱，已经发现了许多与再生相关的细胞类型和基本调节因子。然而，为了确定再生过程中基因表达的空间分布，以前的研究主要采用基于原位杂交的染色方法，该方法费力且通量低。仍然缺乏对再生过程中基因表达模式和复杂细胞协调的时空景观的高通量调查。空间转录组学（ST）技术的最新进展可以使用条形码寡核苷酸dT阵列和标准组织学明场成像定量描绘组织切片中聚腺苷酸化转录本和细胞的空间图。毫无疑问，了解细胞分布和细胞间通讯的空间异质性以及涡虫再生过程中基因表达特征的动态变化将是有帮助的。

该研究建立了涡虫再生的特征细胞分布和基因表达模式（六个时间点）和涡虫再生的单细胞转录组图谱（六个时间点加另外两个时间点）的综合时空景观。研究通过整合ST和scRNA-seq数据生成了三维（3D）转录组图。研究进一步揭示了一个全能的干细胞簇，并确定了与涡虫再生相关的多种基因表达模式。使用空间模块作为筛选工具，确定具有伤口特异性表达或涡虫前/后区域表达的极性基因对再生至关重要。

地中海涡虫四维时空转录组细胞图谱（图源自Nature Communications ）

重要的是，空间模块揭示了一个关键的调节基因plk1，用于胚泡的形成和再生。功能分析表明，plk1是胚泡形成启动的关键早期反应元件，并且对后续再生事件的成功至关重要。综上所述，研究提供了涡虫再生相关的动态细胞成分和基因表达、关键调控因子和信号通路的三维图谱，为清晰地了解涡虫再生的详细调控机制打开了一个窗口，对涡虫和哺乳动物再生研究具有重要意义。

参考消息：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-39016-0

原标题：《【学术前沿】Nature子刊│中国科学院杨运桂/蔡军/张世华通过时空转录组图谱揭示涡虫再生的动态特征和关键调节因子》

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