干细胞的任务是创造和维持生物组织有一个困难的工作。它们必须精确地分裂，形成新的特化细胞，尽管它们含有相同的DNA，但它们注定会有不同的命运。一个显而易见的问题是:细胞如何以所有正确的方式分裂以产生健康的组织?这对斯坦福大学生物学家多米尼克·伯格曼实验室的博士后学者安德鲁·穆罗亚马(Andrew Muroyama)来说是一个重大的激励问题，当时他正在监测有花植物拟南芥的叶片发育过程。在显微镜下的1000个细胞中，他注意到细胞核——细胞中含有dna的控制中心——在干细胞分裂的过程中以一种意想不到的、奇怪的有目的的方式移动。
发育中的幼苗的图像显示了叶子最外层表皮的细胞轮廓。(图片来源:Andrew Muroyama)
伯格曼实验室之前的研究发现，在干细胞分裂之前，一组蛋白质会转移到干细胞的一侧。这些蛋白质似乎调节着干细胞的分裂，但实际的控制机制尚不清楚。这些移动的原子核被证明是解开这个谜团的关键。
在9月17日发表在《当代生物学》上的一篇论文中，研究人员报告说，这些不对称分布的蛋白质在细胞内就像一个指南针，指导细胞核往哪里走。核的位置，反过来，控制着干细胞分裂的模式，最终在叶片表面形成微小的气孔，称为气孔。因为气孔允许树叶平衡它们的水和二氧化碳水平，通过这些微型蛋白质罗盘在单个干细胞中的核排列有可能影响树叶的功能。
“我认为，我们的研究突出表明，观察生物体内细胞机器行为的能力，可以揭示出个体细胞合作构建组织的令人意想不到的优雅方式，”该论文的第一作者Muroyama说。“你可能认为像细胞分裂这样的基本问题到现在已经完全解决了，但还有很多东西要学。”
跟随跳跃的原子核
伯格曼实验室将拟南芥制成了显微镜下的荧光艺术品。亮绿色的细胞核在紫色的细胞膜内摆动。像Muroyama所做的那样仔细观察，你会看到不对称细胞分裂的通常过程:当一个拟南芥干细胞第一次分裂时，细胞核移到一边。这样，产生的子细胞将会有不同的大小并且面对不同的邻居。最终，这两个细胞注定会在叶片复杂的最终图案中扮演不同的角色。
叶形成过程中的细胞分裂。这个短片展示了细胞轮廓(洋红色显示)和DNA(绿色显示)超过五个小时的叶子发育。(图片来源:Andrew Muroyama)
但是继续观察，一个子细胞的细胞核再次移动，匆忙地移动到细胞的另一边，在那里它将进行第二次不对称分裂。
“当安德鲁给我看这些细胞的视频时，感觉太奇怪了，”伯格曼说。他是人文科学学院的生物学教授，也是这篇论文的资深作者。“我想，‘原子核到底为什么会这样?’第一步还说得通，但第二步却完全相反，很奇怪。”
为了了解他们看到了什么，研究人员进行了几项实验，以分离出影响细胞分裂的不同因素。
研究人员已经知道了细胞罗盘，但不确定它是如何引导或如何工作的。通过在第一次分裂前排斥细胞核，指南针产生了第一组不对称子细胞。但是通过随后立即吸引细胞核，指南针可以在另一侧产生一组新的不对称子细胞。
Muroyama说:“理解第二次迁移功能的关键一步是思考干细胞的更长的历史。”“这种植物并不想在刚刚产生的干细胞旁边产生新的干细胞。它想要将它们隔开，所以在分裂后立即移动细胞核为成功产生第二组子细胞奠定了基础。”
研究人员还发现了一种帮助细胞核运动的蛋白质——想象一下，这是一种向正确方向提供能量的马达。使这种运动停止就会阻止细胞核的第二次迁移，因此产生的叶片气孔数量比平常要少，这可能会损害植物调节水分含量和吸收二氧化碳的能力。
众所周知，叶片表面的细胞通过相互沟通来调节干细胞的分裂。出于对细胞罗盘或细胞间通讯是否是控制干细胞分裂的主要线索的好奇，研究人员对细胞进行了修饰，使它们无法接收来自邻近细胞的信号，并观察跳跃的细胞核。如果没有这种交流，指南针就会出现在细胞中错误的位置，但仍然可以以可预测的方式移动细胞核。这表明，当涉及到叶干细胞时，细胞核将会遵循来自细胞罗盘的指令，即使它的方向是错误的。
证明自己是错误的
作为下一步，伯格曼实验室的一名研究生已经对细胞罗盘的用途进行了更深入的研究，他对这个罗盘控制细胞分裂和命运的不同方式特别感兴趣。
更广泛地说，这些发现指出了一种研究干细胞的不同方法，这种方法不那么专注于单个细胞的发育过程。在某些系统中，似乎决定了细胞生命的个体分裂实际上可能只有在接下来和附近发生的情况下才有意义。
伯格曼说:“回顾过去10年，我们认为什么对干细胞很重要，我们已经证明自己是错误的。”“我们非常专注于一个干细胞在特定时间和地点所做的细节。现在我们明白，历史和社区很重要。我们必须研究干细胞和它的母亲、祖母以及它的邻居。”
研究生闫红是本文的合著者。伯格曼也是斯坦福Bio-X和斯坦福癌症研究所的成员，也是霍华德·休斯医学研究所的研究员。这项研究由美国国立卫生研究院、斯坦福大学和霍华德·休斯医学研究所资助。
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