美國科學家報告稱，他們已開發(fā)出一種通過追蹤細胞內表達基因來描繪中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的方法。這項技術在小鼠視網(wǎng)膜中得到證實，其跟蹤了個體細胞在發(fā)育過程中使用的基因的活性，使研究人員能夠以前所未有的方式詳細識別相關模式。研究人員表示，這種精確路線圖可在未來用于開發(fā)致盲性疾病和其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病的再生療法。

“這無疑是我們在中樞神經(jīng)系統(tǒng)細胞發(fā)育方面最全面的路線圖。”約翰斯?霍普金斯大學醫(yī)學院神經(jīng)科學教授兼細胞工程研究所成員Seth Blackshaw說。

“如果我們能夠利用這種路線圖讓干細胞制造某種類型的視網(wǎng)膜細胞，有朝一日便可以替換因黃斑變性和其他致盲性疾病而喪失的細胞?！痹撔２┦亢驡enevieve Stein-O’Brien說。

該研究發(fā)布在《神經(jīng)元》雜志網(wǎng)絡版。Blackshaw表示，視網(wǎng)膜是一種已充分研究的結構，其包含多種存在于神經(jīng)系統(tǒng)其他部分的細胞類型，因此可以作為一個極好的范例用于研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育。

構成視網(wǎng)膜的各種細胞類型都由神經(jīng)祖細胞產(chǎn)生，后者為干細胞樣細胞，具有發(fā)育成幾乎任何視網(wǎng)膜細胞類型的能力，而這取決于在發(fā)育期間開啟和關閉的基因。創(chuàng)造每種細胞類型所需的基因模式沿著嚴格的時間線出現(xiàn)。神經(jīng)元如視網(wǎng)膜中的吸光視桿細胞和視錐細胞均由較年輕的祖細胞產(chǎn)生，而支持性神經(jīng)膠質細胞由較老的祖細胞產(chǎn)生。

為了詳細研究這一過程并構建路線圖，研究人員首先對不同發(fā)育時間點的個體小鼠視網(wǎng)膜細胞的脫氧核糖核酸（DNA）進行了測序——從第一代祖細胞到成年視網(wǎng)膜細胞。

研究人員隨后將這些信息輸入由Stein-O’Brien開發(fā)的機器學習計算機程序，該程序旨在快速壓縮大量遺傳數(shù)據(jù)，將相似細胞分組，進而生成一張路線圖，使研究人員能夠可視化發(fā)育過程。該計算機程序同時形成一個分支結構，讓研究人員了解哪些細胞類型會產(chǎn)生其他細胞，以及發(fā)生什么樣的遺傳變化，導致小鼠和人類視網(wǎng)膜中出現(xiàn)超過100種細胞類型。

“該路線圖提供了一種方式，讓我們可以了解個體基因和基因網(wǎng)絡對發(fā)育中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響?！盉lackshaw說。

在后續(xù)的一項原理驗證實驗中，研究人員仔細研究了3種基因，即核因子1（NFI）a、b和x，這些基因對于幫助祖細胞確定其年齡以及可以產(chǎn)生的視網(wǎng)膜細胞類型必不可少。

研究人員對小鼠進行了基因工程改造，使它們大量表達這3種基因或者完全不表達，并通過跟蹤在計算機程序中的任何給定時間“開啟”何種基因，觀察其視網(wǎng)膜細胞生命周期如何改變。

研究人員發(fā)現(xiàn)，NFI基因表達水平升高的細胞表現(xiàn)得比實際年齡更大，并且比正常視網(wǎng)膜祖細胞產(chǎn)生更多相應的細胞類型（神經(jīng)膠質細胞）。相比之下，沒有NFI基因的祖細胞繼續(xù)產(chǎn)生早期的細胞類型（如視桿細胞），并像年輕祖細胞一樣繼續(xù)分裂。

研究人員表示，他們最終希望將該技術應用于其他細胞類型，以更好地了解哪些基因影響身體其他組織中的疾病發(fā)展。