简单基因线路暗示干细胞如何得到新身份

据估算人体包含了超过 200 种细胞，它们全部来自一个受精卵。皮肤的纺锤形细胞、神经节分支的神经元、肥大的脂肪细胞，极其敏感的视杆细胞和视锥细胞——所有这些都是长期发育过程的产物，它们的物理形态发生了面目全非的改变。除了少数例外，所有这些细胞都携带着与受精卵相同的基因。每种细胞之间唯一的差异是哪些基因是活跃的。但是基因相同的细胞是如何分化出不同的身份的呢？在分子水平上发生了什么将干细胞转化为皮肤细胞，为什么它们会保持这种状态而不是变成肌肉或脂肪？研究人员一直在努力回答这些问题，这些问题与所有复杂生物的发育有关，无论是芥菜植物、蜈蚣还是蓝鲸。遗传模型的早期尝试总是缺乏生物学家在自然界中看到的重要方面——尤其是一种简单性，使它能够扩大规模以定义多种细胞命运。 现在加州理工学院一群具有物理学背景的生物学家在《科学》期刊上报告称，他们设计出了一个简单的基因网络，可以产生令人惊讶的复杂、逼真的行为。这可能代表着在理解大自然如何告诉细胞分化方面的重大进展。研究人员将少量工程基因引入细胞，并施加正确的化学信号，将细胞引导出了七种不同的稳定状态，每一种在显微镜下都可以通过不同的发光颜色进行区分。细胞表现出与分化细胞相关的关键特性；例如它们坚定地致力于成为一种细胞，但它们也会表现出对以前活动的“记忆”，这会影响它们对新环境的反应。数学模型表明，只需再增加几个基因，就有可能定义数百种细胞身份，足以形成复杂生物的组织。这一发现为实验打开了大门，更接近于理解构建我们的系统在一万年前是如何构建的。