来源：生命奥秘 2015-12-28 10:49- k' L& g4 A, y# j
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图1 肠隐窝中的干细胞：Lgr5细胞（绿色）位于肠隐窝基底，数量多且具有增殖性（图中紫色部分为胶原蛋白）。 机体组织很可能启用多种机制来更替丧失的细胞。, d. j$ p e( _. l9 H. C1 v) [
自从骨髓移植技术锁定于造血干细胞（hematopoietic stem cell， HSC）这种不可思议的多能性实体细胞（可形成几乎所有的血细胞）之后，它的理论就开始深入人心了。HSC的“自我更新”能力遵循着层次分化路径进行，包含严格编排的事件流。目前，HSC原理作为一种范例，用以解释其它哺乳动物组织中出现的实验观察现象。但是，进化为何会以如此类同的方式来解决组织更新的问题，其中的原因尚不明晰。而人们试图将实体组织的观察结果套入HSC的层次模式，结果却产生了混淆不清的理论、术语、实验方法和激烈的辩论，而且大多仍无法解决。试想，既然不同大小、结构和功能的器官经受的是完全不同的生物学和生理学挑战；那么各种组织也有不同的再生需求，自然也会进化出不同的方式来恢复细胞数量，这样的说法似乎也有道理。
7 @2 @6 Y8 T8 T* D1 P5 J5 ?日本广岛遭受原子弹爆炸事件之后，人们开展了多项实验，用辐射小鼠建立模型，进行对抗白细胞减少的骨髓移植研究。这种治疗性骨髓移植技术使得科学家们减少了对限制性环境（通过异体骨髓挽救血细胞的生成）的关注，转而研究有形实体物质HSC的特性。同时，人们开发出替代性定量分析方法（脾脏病灶形成分析）来检测活体中的HSC；随之又开发出多种体外分析法，用以检测克隆性HSC和谱系限制型祖细胞。上述成果使得人们对HSC的界定特性及其激发的细胞分化层次产生了共识。
. @- A5 O8 Y. m: f0 T; U6 NHSC属于稀有细胞，它本身极少发生分裂（即“静止”），这是因为DNA复制带有变异的风险。HSC即便是发生分裂，也是不对称的，产生一个具有分裂活性的子代祖细胞和一个新的静止干细胞。由于HSC具有独特的限制性自我更新能力，因此寿命很长。而分裂出来的子代祖细胞随之下移一级，逐渐成为谱系限制性细胞，最终产生各种成熟的血细胞。所以，细胞通过这个等级分层系统单向流动，逐渐背离原有的HSC。其实，人们早就获知了上述观点，数十年之后才能够研究其它哺乳动物组织中的更新。那么，自此之后，我们又知道了些什么呢？
% {) P9 I- ~- j! J; g- T0 Q* K8 T6 L干细胞功能分散化
. E% Q% ?0 O) g( m2 o20世纪70年代，细胞培养技术的发展促使增殖性表皮细胞得以广泛扩增，形成大片皮肤；借助自体移植技术，还挽救了众多烧伤患者的生命。这实在是激动人心的干细胞潜能范例。然而，迄今为止，表皮干细胞的身份仍然存在争议。因为它只产生单种细胞——角化细胞，这一点不符合干细胞多能性的特点。但是，在这个定义事件的背后，一个更深层次的问题浮现出来了。目前为止，人们还是无法精确识别那种静止的稀有干细胞。它潜藏在大量增殖性祖细胞（组成表皮基底层）之中。确实，对这类增殖细胞进行随机标记，结果产生的表皮克隆产物总是在不断地改变形状和大小，并且终生存在。# ?* A( c) n/ R1 v
食管、肠隐窝、胃腺体和睾丸也有类似的情形。这些组织中隐藏着大量具有同等潜能的增殖性类干细胞，每一个都拥有产生长生谱系细胞后代的固有能力。这些干细胞不断地进行扩增，竞争生态位空间；由机遇来决定哪一个细胞将长期存留，其余则最终消失。然而，这些活性干细胞却不符合HSC的界定特性：它们量多（并非稀有），周期循环（并非静止），且大多呈对称性分裂（并非不对称）；而且，它们的寿命并非预先设定，而是随机决定。因此，尽管上述组织中明确地隐藏着组织更新的功能，却分散在大量细胞群中。在单体细胞水平，存在着具有原型干细胞特性的非罕见固有干细胞。
: O4 Y. C1 _" M3 Q0 n静止性
r% |: J( C* o7 Q/ S9 V非增殖状态在实验上的定义就是具有保留化学DNA标记的能力，该定义广泛用于界定干细胞的特性。但是，我们体内的绝大多数细胞都是不发生细胞分裂的，这使得静止成为一种不具差别化的参数。而且，细胞存在的唯一原因就是产生是子代细胞，若是极少发生分裂，那就显得有点儿悖于常理。
0 h Q5 f7 q3 ? k" {6 J5 u当然，确实存在静止干细胞的范例。毛囊隆突部中首个被界定的干细胞就是静止的。此外，横纹肌中也含有静止的典型细胞——卫星细胞。我们知道，正常的肌纤维是大块、长生的非增殖性合胞体，与之亲密并存的却是细小的（仅仅比细胞核稍大）非分裂细胞（即卫星细胞）。这种卫星细胞长年处于静止状态，仅在肌肉受损时才会产生行动。它们通过不对称的细胞分裂进行自我更新，同时也产生子代——收缩性肌纤维。4 F1 D j$ C* P
在肠隐窝中，可持续性增殖的Lgr5干细胞（图1）处于基底部位，“储备”的静止干细胞则居于肠隐窝基底顺数+4位。有观点认为，这类细胞占据了层级的最高位，产生可增殖的Lgr5细胞。近来，遗传跟踪研究揭示了另一种替代机制：+4细胞代表了已出现细胞周期的子代，其目的是最终分化成分泌细胞。Lgr5干细胞的突发缺失可诱导+4细胞定位于隐窝基底部位，使之重新获取多能性Lgr5干细胞表型。这些静止的+4细胞具有独特性——寿命短，这是由于它们将会发生分化和凋亡的缘故。但作为一个类别，这些可转运的细胞扮演着储备性干细胞池的角色，违反干细胞应当以单向层级流动的规则。: @1 U, T; w0 {( o$ o
可塑性7 T6 U0 Y/ A! c7 E
+4分泌祖细胞可能会被认为能够展现出某种可塑性。在其它组织中，已经观察到类似的现象。因此，当基底部位的干细胞池缺失时，气道上皮的管腔分泌细胞也能转化为多能性干细胞状态。此外，最终分化的、可产生胃蛋白酶的主细胞位于胃腺基底部位，也以一种缓慢的不易觉察的速度走上多能性干细胞的命运之路，这个过程极大地加速了增殖性干细胞池的缺失。在上述例子中，“静止”细胞在对抗损伤的组织更新方面发挥了关键的作用。但是，在非干扰状态时，这类细胞会停止分裂，同时进行分化，这个过程的产生并非源于干细胞的作用。
7 b3 s' J$ H7 x共存的干细胞类型! C; v5 _" w/ U; z( w: r6 G1 E
成熟的毛囊是多种干细胞寄居的大本营，每一种都有其独占的居所。在毛囊维护的过程中，这些干细胞仅产生其特定位置所需要的特化细胞类型。但若是在受损情况下，它们就会展示出明显的可塑性，产生表皮任一部分的细胞。有两项关于哺乳动物干细胞的经典研究采用了HSC原理。研究将单种哺乳动物上皮细胞移植到适合的位置——脂肪垫，识别出了那种稀少细胞，以其力量产生了完整的、具有功能的乳腺，其结构包括两层：基底（或称肌上皮）层，以及管腔层。尽管两项研究都使用遗传物质在活体内进行标记，并已证实这类多能干细胞的存在，但另一项研究却表明基底和管腔中的细胞系都各自通过相互独立的干细胞进行维护。而在前列腺干细胞域中，也出现了类似的困惑情形：有报道称多能干细胞位于基底部位，也有报道称它们其实在管腔层，简直莫衷一是。而最近的研究表明，长期以来，基底部位和管腔的细胞系都是通过相互独立的干细胞进行维系的。不过，有一点是明确的，上述观察结果中无一与经典的干细胞分层完全吻合。
4 o' i& g. J I* L分化细胞也有更新功能4 N9 X" Z" _( R& l$ u
肝脏是哺乳动物组织中的再生之王。在半肝切除术中，残留肝的实质细胞在未进行去分化的情况下进入了分裂周期。数周之内，原肝脏的质量和功能都恢复了，所有的细胞都恢复到非增殖状态。只有极少部分启用了“自我更新”，以利用剩余的肝细胞迅速取代经手术切除的肝实质细胞。于是，当毒性制剂（例如毒素或病毒）同时影响所有肝实质细胞的正常运转时，另一种更为普通的替代性肝脏修复机制就被激活了。在肝脏整体受损的情况下，胆管网络系统中的细胞转为具有双重效用的干细胞状态（“卵形细胞”），它能使肝实质细胞和胆细胞再生。目前为止，人们已努力识别出肝脏中的“专职”干细胞——除分化外无其它功能的细胞，但是，正常肝脏中也有可能根本没有这类干细胞，只是完全依赖于两种已分化细胞的增殖能力。同时，对于其它在健康状态下极少显示增殖活性的内脏器官——如胰脏和肾脏，类似的考虑也可能适用。7 }! V7 _: Q8 y2 \ E
如何定义干细胞功能？——“恐怕应该从寻找干细胞的实体转为寻找干细胞的功能”8 Y: s* Y U- o
HSC原理的关键在于：血细胞数量的维持和再生是通过相互离散、数量稀少的实体物质——HSC单独完成的。HSC理论的靓丽外表和内在成功简直是势不可挡。此后，关于其它组织的研究也几乎是不可避免地将重点放在发现HSC等效物的课题中。不过，是否适合将HSC理论作为经典范例的争论却并未实质性地发生。这儿给出的例子提到了关于哺乳动物组织更新模型的最佳研究，但没有一个能明确地与HSC理论相匹配。另外，还有一些值得注意的例外，比如肌肉卫星细胞或者隆突部干细胞，而在大多数组织中，尚未寻找到稀有的固定型专用干细胞。1 I' P! [) I/ I) @+ h& j5 V" U
如果有更为开放的方法，那么恐怕人们需要将寻找作为实体存在的干细胞转为对干细胞功能的寻找。这在操作上的定义是：某种器官能够替代损失组织的能力。在有条件的情况下，应该开展的实验应以下述问题作为切入点：关注在组织更新过程中出现增殖性活动的细胞群及其起源。或许，干细胞的功能确实体现于某些组织中固定的专用干细胞上，但也可能分散在范围更广阔的具有中性竞争力、未出现分化的细胞群中。其实，组织更新是可能在兼性干细胞中完成的，让机会去选择那些定向细胞甚至是完全分化的细胞群。不过，组织也有可能会完全避免使用未分化的干细胞，而让分化的细胞直接进行增殖，从而取代丧失的组织。最后要说明的是，机体组织到底如何更新，这个问题可能并无一般规律，因为富有创意的进化力量是没有止境的。（生物谷Bioon.com）. B- t) i( ]6 t) g* Y' _4 [ }8 i
原文检索：: E4 }2 M8 g- u7 P1 [
Hans Clevers. (2015) What is an adult stem cell？. Nature， 350， 1319-1320.$ o3 F' ?: S: d
文佳/编译$ A, i( F) W/ y2 r
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发表于 2015-12-29 11:27
