加州大学旧金山分校的研究人员首次用光精确控制了胚胎干细胞的分化，让它们根据准确的外部线索转变为神经元。这项研究发表在八月二十六日的Cell Systems杂志上。

“我们发现了细胞应对发育线索的一个基础机制，”文章的资深作者之一Matthew Thomson博士说。

迄今为止，人们已经鉴定了许多在特定时间促使干细胞分化的分子线索。用干细胞修复受损和衰老的组织已经成为了再生医学领域的热点。不过，让干细胞听从指令并不是一件简单的事。

近来研究显示，许多编码发育线索的基因，在未分化的干细胞中不断地开和关。细胞如何在这样的噪音中识别真正的发育信号，并做出快速而准确的应答呢？

为了解决这个问题，Thomson和同事对小鼠胚胎干细胞进行改造，用蓝光启动其中的Brn2基因（Brn2是一个强力的神经发育线索）。他们通过调节光照的强度和持续时间，精确控制细胞中的Brn2含量并观察细胞做出的应答。

研究显示，如果Brn2信号足够强持续时间足够长，干细胞就会快速转化为神经元。但如果Brn2信号太弱或者时间太短，细胞就会完全忽略掉它。

随后研究人员用CRISPR-Cas9基因编辑系统给转录因子Nanog添加了荧光标签，这个转录因子相当于干细胞分化的刹车。他们发现，Brn2信号会干扰维持细胞稳定和不分化状态的反馈回路，使Nanog蛋白水平开始下降。细胞中的Nanog蛋白要四个小时才能完全消失，这使它成为了一个绝佳的内部计时器。如果Brn2信号过早中断，Nanog水平就能迅速恢复，细胞保持不变。如果Brn2信号一直持续直至Nanog消失，那么干细胞就会很快分化成为神经元。

Thomson相信，其他干细胞分化过程也受到类似机制的控制。他希望通过这种光诱导的分化技术，探索复杂三维组织的形成。

“目前人们操纵干细胞的效率还比较低，这一过程显得难以控制，”Thomson说。“这是因为细胞并不是个木偶，它在持续解读信息。想要精确控制细胞的命运，我们就必须理解细胞的信息处理机制。”

Journal Reference:

1.     Cameron Sokolik, Yanxia Liu, David Bauer, Jade Mcpherson, Michael Broeker, Graham Heimberg, Lei S. Qi, David A. Sivak, Matt Thomson.Transcription Factor Competition Allows Embryonic Stem Cells to Distinguish Authentic Signals from Noise. Cell Systems, 2015 DOI:10.1016/j.cels.2015.08.001