从视网膜的光感锥体到心脏的抽血肌肉到肾脏的废物过滤单元，人体由数百种细胞组成，精细地专门用于高精度地完成它们的工作。

然而，这种复杂性掩盖了这样一个事实，即数万亿个高度专业化的细胞中的每一个都是作为单个原始细胞开始的。

这些原始的，未分化的细胞如何选择他们的最终命运?几个世纪以来，这个问题引起了生物学界的关注。

现在，来自哈佛医学院，卡罗林斯卡医学院和维也纳医科大学以及其他机构的科学家们已经发现了有关细胞分子逻辑的有趣新线索，这些线索可以告知他们的命运。

这项发现于6月7日发表在“科学”杂志上，基于对小鼠神经嵴组织的研究，表明细胞在成年之旅中面临着多种竞争选择，并在达到最终目的地之前执行一系列二元决策。

哈佛医学院Blavatnik研究所的生物医学信息学副教授Peter Kharchenko说：“一个祖细胞可以成为任何东西，但这种选择是如何实现的?”

“我们的研究代表了一种定义细胞选择背后的分子逻辑的尝试。我们相信我们的研究结果可以帮助我们了解细胞如何将自己定位于特定的命运以及细胞分化过程中可能出现的问题，“他说。

研究表明，神经嵴细胞的决定分三个阶段进行：竞争遗传程序的激活争夺细胞的注意力，逐渐偏向其中一个程序和细胞的最终承诺。

研究人员警告说，在这一点上，他们的研究结果仅与神经嵴细胞有关，但可以探索相同的方法来了解其他组织中的细胞分化。他们补充说，尚不清楚其他组织，器官和生物是否遵循类似的细胞分化机制。

研究人员说，除了揭示生物学中的一个基本问题之外，这项研究结果还可以帮助说明干细胞中出现的错误，这种干细胞“走错了路”并变得恶化，或者为生长用于治疗的人工神经组织提供新技术。

“我们希望我们的研究结果可以为神经嵴细胞的多样性提供一个新的窗口，并有助于解释导致颅面，心脏和感觉组织的细胞的正常发育，以及导致颅面，心脏和感觉组织的一些病理性”弯路“。研究共同资深作者，卡罗林斯卡医学院和维也纳医科大学的高级研究员Igor Adameyko说，细胞分化异常。

“这样的见解不仅对于了解细胞分化的基本生物学至关重要，而且可能为了实现治疗策略提供信息，”Adameyko说。

细胞的困境

研究人员追踪了小鼠神经嵴组织中原始细胞的轨迹 - 这是一组细胞，它们来自外胚层，是胚胎发育过程中形成的主要生殖细胞层之一。这些祖细胞产生多种细胞，包括大脑，脊髓和身体其他部位的不同神经细胞，产生色素的细胞以及构成头骨和面部的骨骼，软骨和平滑肌细胞。 。

为了追溯这些原始细胞在分化到不同专业领域时的决策，研究人员使用单细胞测序技术，这种技术可以让人们观察单个细胞的遗传变化，一次一个细胞。研究人员以决策树的形式绘制了细胞的轨迹，并在道路上以一系列叉子为标志。

为了确定细胞决定的顺序以及它如何承诺给定的命运，科学家们追踪了单个细胞中RNA变化的速度。当细胞开始从基因开始行进命令并转化自身时，通过基因表达和蛋白质产生速率的变化来测量RNA变化。随着遗传程序被激活或沉默，RNA产生的速率也相应地发生变化。

令研究人员惊讶的是，分析显示，竞争的基因组 - 调节各种细胞功能的基因程序 - 同时向不同的发育途径推动细胞。当细胞决定路径时，一个遗传程序变得更强，而竞争程序变得更弱，允许细胞移动到其选择的路径。

分析表明，细胞面临一系列二元选择，随后的每一个决定都会进一步缩小专业化的选择范围。例如，分析表明，当神经嵴细胞必须选择是否会成为感觉神经细胞或其他类型时，细胞行程的第一次分叉发生在交叉点。

在路上的下一个岔路口，神经细胞必须决定成为神经胶质细胞 - 一种支持和屏蔽神经元或神经元的细胞，依此类推，直到达到最终状态。

科学家想要回答的下一个问题是如何将细胞引向特定的命运。

“细胞是否会慢慢开始激活将其推向正确路径的分子机器，还是还有其他事情发生?”Kharchenko说。

研究结果表明，个体基因不会相互独立地偏向细胞的选择。相反，与不同命运相关的整个基因簇同时被激活并争夺细胞的注意力。细胞越接近决策叉，两个遗传程序的共激活越大，每个细胞以不同的方向召唤 - 例如，成为颚骨细胞与神经细胞之间的决定。

观察结果表明，只有在两个程序都被部分激活后，一个单元才会做出选择，在提交之前为两个备选方案启动单元。一旦做出选择，无关的遗传程序就会被沉默。

“这是相当令人惊讶的，”Kharchenko说。“我们希望看到一些更简单的东西，比如单元格显示出对另一种选择的早期偏好。相反，我们观察到细胞准备两种选择，考虑两种选择，然后才做出决定。“

Adameyko说，研究结果表明，”一个复杂的，长期存在的冲突信号逐渐为细胞准备了一系列可能的选择。结果，这一旅程以这些选择的蒸馏结束为一个可用的选项。“