《科学》干细胞最新发现:神奇基因

【字体: 时间:2008年01月24日 来源:生物通

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  来自加州大学欧文分校(University of California Irvine)发育与细胞生物学系,斯沃斯莫尔学院(Swarthmore College),阿拉伯马大学伯明翰分校的研究人员发现了一个特异性在大脑皮层生成过程中起重要作用的基因,他们将之称为“creator”基因,这对于干细胞治疗大脑损伤,以及类似于阿兹海默症等疾病的治疗意义重大。这一研究成果公布在《Science》杂志上。

  

生物通报道:来自加州大学欧文分校(University of California Irvine)发育与细胞生物学系,斯沃斯莫尔学院(Swarthmore College),阿拉伯马大学伯明翰分校的研究人员发现了一个特异性在大脑皮层生成过程中起重要作用的基因,他们将之称为“creator”基因,这对于干细胞治疗大脑损伤,以及类似于阿兹海默症等疾病的治疗意义重大。这一研究成果公布在《Science》杂志上。

 

领导这一研究的是加州大学欧文分校病理学系医学实验室的Edwin Monuki博士,之前其实验室在12月的《Stem Cell》杂志上发表了有关干细胞分类的新方法的研究成果。干细胞领域一直以来缺少识别和分类细胞的工具,这一重要的发现将为目前分选细胞提供一种新工具,并且这种分选方法无需昂贵,庞大的仪器。(具体内容见干细胞研究新工具填补研究空白

 

在这篇新成果中,研究人员发现这种称为Lhx2的基因就是一直以来科学家们寻找的皮层“缔造者”基因,这种基因能指导大脑发育形成皮层的干细胞的活动——这部分大脑负责高级感官,以及认知功能,比如语言,作决定以及观察力,没有这种基因,大脑细胞就不会形成。

 

Lhx2基因属于一类称为选择基因(selector gene)的基因家族,这类基因在胚胎及胎儿发育的关键过程中起作用,指导干细胞分化成机体的特殊部位,比如大脑,血液和骨骼。

 

在2006年,霍华德休斯医学院的研究人员发现Lhx2蛋白能调控毛囊干细胞(hair follicle stem cells)使其处于未分化的状态。他们分别将Lhx2进行过表达(over-activating)或敲除(knocking out)以观察其对细胞分化的影响。结果发现Lhx2的过表达会使细胞分化受到抑制;若将此基因敲除则会促使干细胞进行分化。这些实验结果显示Lhx2的表达对毛囊细胞是否开始分化扮演关键的角色。

 

从而Lhx2被认为是控制干细胞分化的关键分子,这为避免干细胞过早分化提供了一个新观点。而对于这一新研究中,Monuki博士表示,“对于Lhx2在皮层发育中的作用的深入了解将能被应用到干细胞研究中,获得新的皮层神经元,从而替代受损的大脑细胞”,“这项发现对于帮助中风的患者恢复,以及减缓神经退行性疾病的进展意义重大。”

 

研究人员在啮齿类动物的实验中发现Lhx的皮层选择活性只在由干细胞组成的皮层发育过程中起关键作用,在之前或者之后都没有发挥作用,而且他们发现不表达Lhx2基因的皮层干细胞会变成另外一种类型的细胞——hem cell,从而诱导邻近细胞发育成海马组织:进化上最老的部分,大脑的主要基因中心。

 

Monuki等人目前正在致力于研究如何激活神经干细胞中的Lhx2基因,以及如何启动新皮层细胞生长的过程,“如果我们成功的话,利用Lhx2维持皮层特性干细胞的概念就能成为某一天治疗病患的临床研究的基础。”
(生物通:张迪)

原文摘要:
Science 18 January 2008:
Vol. 319. no. 5861, pp. 304 - 309 DOI: 10.1126/science.1151695
Lhx2 Selector Activity Specifies Cortical Identity and Suppresses Hippocampal Organizer Fate
Abstract

 

名词解释:

 

1.大脑皮层

 

包被大脑半球沟和回外层的灰质,是调节机体机能的最高部位。哺乳动物出现了高度发达的大脑皮层,并随着神经系统的进化而进化。新发展起来的大脑皮层在调节机能上起着主要作用;而皮层下各级脑部及脊髓虽也有发展,但在机能上已从属于大脑皮层。高等动物一旦失去大脑皮层,就不能维持其正常的生命活动。人类的大脑皮层更产生了新的飞跃,有了抽象思维的能力,成为意识活动的物质基础。人类大脑皮层的神经细胞约有140亿个,面积约2200平方厘米,主要含有锥体形细胞、梭形细胞和星形细胞(颗粒细胞)及神经纤维。按细胞与纤维排列情况可分为多层,自皮层表面到髓质大致分为六层。皮层的神经元之间联系十分广泛和复杂,在皮层的不同部位,各层的厚薄、各种神经细胞的分布和纤维的疏密都有差异。根据皮层的不同特点和功能,可将皮层分为若干区。机体的各种功能在皮层具有定位关系,如运动区、感觉区等。但这仅是相对的,这些中枢也分散有类似的功能。如中央前回(四区)主要管理全身骨胳肌运动,称运动区,但中央前回也接受部分的感觉冲动。中央后回主管全身体躯感觉,但刺激该区也可产生少量运动。皮层除一些特定功能的中枢外,人类皮层大部分区域称联合区。临床实验证明,某一中枢的损伤,并不使人永久性完全丧失该中枢所管理的功能,经过适当的治疗和功能锻炼,常可由其他区域的代偿而使该功能得到一定程度的恢复。


大脑的表层部分叫大脑皮层,人类的大脑皮层平均厚度为2.5~3.0毫米,皮层表面高度扩展、卷曲,形成许多的沟和裂。下凹的叫沟,凸出的叫回、如果把皮层剥离下来并全部展平,形成的灰色物质层有四张A4打印纸大小。而黑猩猩的大脑皮层只有一张A4打印纸那么大,猴子的像明信片那么大,老鼠的只有邮票那么大。大脑皮层上面密密麻麻地分布着大约120亿个神经细胞,在这些神经细胞的周围还有1000多亿个胶质细胞。大脑皮层是神经元胞体集中的的地方,是构成大脑两半球沟回的表层灰质。人的大脑皮层分为6个层次。根据各层神经元的成分和特征,以及机能上,可以分为许多区。从机能上可以分为:大脑中央后回称躯体感觉区;中央前回称为运动区;枕极和矩状裂周围皮层称为视觉区;颞横回称为听觉区;额叶皮层大部,顶、枕和颞叶皮层的其他部分都称为联合区,它们都收受多通道的感觉信息,汇通各个功能特异区的神经活动。大脑皮层细胞除了在水平方向分层外,在整个皮层厚度内,神经元在与表面垂直的方向呈链状排列成细胞柱。柱或称模是一些具有大致相同特性的神经元集合形成的。它是皮层最基本的机能单位。人的大脑皮层约含有1—2百万个柱,每一个柱内有10,000左右的神经元。用微电极插入皮层,“感觉柱”(与感觉机能有关的细柱)引导电位的方法,证明了同一个柱内的细胞相同的感觉型式,并有相同的感受野。

 

2.选择基因(selector genes)



一类决定体节发育的基因。有两簇选择基因在控制果蝇外部结构的正确发育途径中起关键作用:双胸复合物(bithorax complex,BX-C)和触角足复合物(antennapedia complex,ANT-C)。BX-C含有三个结构基因,分别是:Ultrabithorax(Ubx)、Abdominal A(abdA)和Abdominal B(abdB),它们各编码一种具有同源框的转录因子。这三个基因都含有很多内含子,这些内含子对于调节这些基因在不同副节进行不同的表达具有重要作用。 ANT-C基因簇含有5个基因:labial(lab)、proboscipedia(pb)、Deformed(Dfd)、Sex combs reduced(Scr)和antennapedia(Antp)。这两簇基因都定位于3号染色体。ANT-C簇编码的蛋白质控制0-5副节的发育,BX -C基因簇编码的蛋白质控制5-14副节的发育。
 

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