想象一下，你正在烤一个蛋糕，但你的盐用完了。即使缺少了这种原料，面糊看起来还是像蛋糕面糊，所以你把它塞进烤箱，掰着手指头，期望最后能做出和普通蛋糕差不多的东西。相反，你在一小时后回来时发现一块完全熟透的牛排。
这听起来像是一个恶作剧，但是在一项新的研究中，来自美国格拉斯通研究所的研究人员发现这种令人震惊的转变确实发生在培养皿中的小鼠干细胞上。他们发现仅剔除一个基因就可让注定要成为心脏细胞的干细胞突然变成了脑细胞的前体细胞。他们的偶然观察颠覆了他们对干细胞如何转化为成体细胞并在成熟时保持其身份的认识。相关研究结果于2022年1月26日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Brahma safeguards canalization of cardiac mesoderm differentiation”。
论文共同通讯作者、格拉斯通心血管疾病研究所主任Benoit Bruneau博士说，“这确实挑战了干细胞一旦走上开始分化为心脏细胞或脑细胞的路径后如何保持该路径不变的基本概念。”
没有回头路可走
胚胎干细胞是多能的--它们有能力分化或转化为完全形成的成年身体中的每一种类型的细胞。但干细胞要产生成体细胞类型，需要很多步骤。例如，在成为心脏细胞的道路上，胚胎干细胞首先分化为中胚层，这是最早的胚胎中发现的三种原始组织之一。再往下走，中胚层细胞形成骨细胞、肌肉细胞、血管细胞和跳动的心脏细胞。
人们普遍认为，一旦一个干细胞开始沿着这些路径中的一条分化，它就不能回头选择不同的命运。
Bruneau说，“几乎每一个谈论细胞命运的科学家都会使用沃丁顿景观（Waddington landscape）的图片，它看起来很像一个滑雪胜地，不同的滑雪斜坡下降到陡峭、分离的山谷中。如果一个细胞处于深谷中，它就不可能跳到另一个完全不同的谷中。”
十年前，格拉斯通研究所高级研究员山中伸弥博士发现了如何将完全分化的成体细胞重编程为诱导性多能干细胞（ips）。虽然这并没有赋予细胞在不同山谷间跳跃的能力，但它确实像滑雪缆车一样回到了分化景观的顶部。
此后，其他研究人员已发现，在正确的化学线索下，一些细胞可以通过一种称为“直接重编程”的过程转化为密切相关的细胞类型---就像在相邻的滑雪道之间穿过树林的一条捷径。但在这些情形下，没有一个细胞能在截然不同的分化路径之间自发跳跃。特别是，中胚层细胞不能成为脑细胞或肠道细胞等亲缘关系较远的细胞类型的前体细胞。
然而，在这项新的研究中，Bruneau和他的同事们发现，令他们惊讶的是，心脏细胞前体细胞在缺乏一种称为Brahma的蛋白的情形下确实可以直接转化为脑细胞前体细胞。
令人惊讶的观察
这些作者研究了蛋白Brahma在心脏细胞分化中的作用，因为他们在2019年已发现，它与其他与心脏形成有关的分子一起发挥作用。
在放置到培养皿里的小鼠干细胞中，他们使用CRISPR基因组编辑方法关闭了基因Brm（一个产生蛋白Brahma的基因）。他们注意到，这些干细胞不再分化成正常的心脏细胞前体细胞。
论文第一作者、Bruneau实验室研究员Swetansu Hota博士说，“经过10天的分化，所产生的细胞有节奏地跳动；它们显然是心脏细胞。但是如果缺乏Brahma，就只有一团惰性的细胞。根本没有跳动。”
经过进一步的分析，Bruneau团队意识到所产生的细胞不跳动的原因是移除Brahma不仅关闭了心脏细胞所需的基因，而且还激活了脑细胞所需的基因。心脏细胞前体细胞如今变成脑细胞前体细胞。
这些作者随后跟踪了分化的每一步，并意外地发现这些细胞从未返回到多能性状态。相反，这些细胞在干细胞分化路径之间的跳跃比之前观察到的要大得多。
Bruneau说，“我们看到的是，位于沃丁顿景观的一个山谷中的细胞在适当的条件下可以跳到不同的山谷中，而不需要先乘缆车回到顶部。”
对疾病的启示
虽然实验室培养皿中的细胞细胞和整个胚胎中的细胞环境有很大不同，但是这些作者的观察结果对细胞健康和疾病有借鉴意义。基因Brm的突变与先天性心脏病和涉及大脑功能的综合征有关。该基因还与几种癌症有关。
Bruneau说，“如果移除Brahma可以在培养皿中把中胚层细胞（如心脏细胞前体细胞）变成外胚层细胞（如脑细胞前体细胞），那么基因Brm的突变也许让一些癌细胞有能力大规模改变它们的遗传程序。”
他补充说，这些发现在基础研究层面上也很重要，因为它们可以阐明细胞在心力衰竭等疾病环境中如何改变它们的特性，并用于开发再生疗法，比如通过诱导新的心脏细胞产生。
Bruneau说，“我们的研究还告诉我们，分化路径比我们想象的要复杂和脆弱得多。对分化路径的更好了解也可以帮助我们理解先天性心脏缺陷和其他部分上因分化缺陷而引发的缺陷。”
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