多潜能状态：脆弱的制衡

tpwang

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Cell Stem Cell四月刊有一片Perspective文（见网友“清风闲云”提供的文章：http://www.stemcell8.cn/forum-vi ... Bprecarious%2B.html），题目是9 V$ ?6 d& X7 h9 j
A Precarious Balance: Pluripotency Factorsas Lineage Specifiers，提出多潜能干细胞的“多潜能状态”其实是一个多种分化因子互相抵制所维持的暂时（不）稳定状态，而非过去一直认为的稳定“基态”（ground state）。挺有意思，学习一下。
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细究起来，干细胞常用的术语中，有不少定义都不是十分精确，而且使用上互相之间有交叉和矛盾。比如说，pluripotency，应该是说具有多种分化潜能的一个状态或特质，即unrestricted multilinieage differentiation potential。但要从语义逻辑上分析，到底多潜能是个原初的“静息”状态，还是一个随时准备分化的“待命”状态，不是很清楚。从生理学意义上来说，多潜能状态如果是个静息态，那么多潜能的发动是否还有另一个阶段和状态，它又是如何发生的？从发育的角度来看，多潜能状态必定是暂时的，或者干脆是内在一直在变动的。所以，从胚胎干细胞的体外本质来看，多潜能性的维持到底是干细胞的一个内在本质还是外在因素的控制？直觉上，人们自然愿意相信，干细胞既然能长期维持多潜能性，它必定是一种内在本质的表现。这大概是所谓ground state概念的逻辑基础。所以，有各种（维持）多潜能的因子的说法，即多潜能因子联手保护胚胎干细胞不发生任何方向的分化，因此维持“未分化的”多潜能状态。- f, o7 B) M" ?+ _7 s, A; C# s
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然而，很多维持多潜能的因子在特定情况下是可以导致特定细胞系的分化，所谓Pluripotency Factors Are Lineage Specifiers，这就是上文作者的出发点（见下图）。简单说，各种多潜能因子的过表达，实际上可以导致特定方向的分化，这一点与上述ground state理论的预测相反。也就是说，多潜能因子“同时”又是特定分化因子。这么一来，多潜能状态的维持就成了一个相互竞争的分化因子之间达成的一个互相制约的平衡态，也就是说谁也无法成为主导因子，所以谁也不能带动特定方向的分化，成为一种表面的稳态，内里的较劲，所谓“precarious balance“，有（情势）不稳的，不确定的，不保险的，危险的，摇摇欲坠的，不稳固的意思，暂翻译为“脆弱的制衡”。世间万物，动静之间多有此态。比如古人形容用心不移：心專則止於所注之物，非安心不動，乃用心不移。如大力者轉巨石，及其未轉，人石相持，視若不動，而此中息息作用、息息消長也。也可以说，按照这个推想，多潜能干细胞的表面稳定状态下，各种因子之间复杂的互相较劲时时不停，促进与抑制犬牙交错，倒也符合“生”物的活性。7 r3 \3 g! Q5 S6 D9 E
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该文的作者从几个方面梳理引用了已有的文献，为上述理论提供了一定的支持，并认为胚胎干细胞的这个（不）稳态更符合发育的现实。并由此推断体外维持胚胎干细胞的多潜能状态要靠微妙的外源性因素和条件控制。但由此一来，多潜能干细胞的风险就大大增加了，因为这么复杂的相互竞争状态，出错率一定是非常高的，起码是远高过我们从应用的角度愿意接受的程度。所以作者在结论部分将“precarious balance”改成了“precarious potential”，脆弱的平衡还是平衡，失去平衡的结果不过是定向的分化，而脆弱的潜能一旦出问题，潜能的丧失可能就不仅仅限于正常的分化了。- ~% @& s1 y7 I: g- I, F+ c9 y: e

- \2 l$ v) J, g. {" c3 e! s, D& n从研究实践的角度，如果上述理论成立，那么在探索某个因子的作用时，便增加了一重维度的考虑。核心变量成了特定多潜能因子（分化因子）与其它因子之间的互动关系，如相对量的关系，促进与抑制的关系，协同与拮抗的关系，以及个体因子在整个因子网络中的关系……。而从应用的角度，体外维持的多潜能细胞的采用，大概也要考虑特定的时间因素，状态的检测也需要更深一层的多因素互动网络结构等。" ?" a. W, w) e# n& b4 j5 \
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这是从（单）细胞本身的考虑。而如果从细胞群体角度来看多潜能的维持，反馈控制的不对称分化系统是维持多潜能干细胞群体稳态的可能机制，这一反馈控制不对称分化体制也比较容易整合上述细胞个体层面的竞争内稳态理论。而从成体干细胞与微环境角度来看，一个内在的动态制约平衡多潜能状态，也比一个内在静止的多潜能状态更有说服力。
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mcherry.f

I really appreciate your commentary.
: R5 x, i. ~/ k! @Actually, since Dr. Martin Evans first isolated murine ESCs from 129Sv strain, there is a long-term problem for murine ESCs culturing. The batch variation problem for serum is addressed a lot by researchers around the world. But for other cell culturing, even some very tenellous primary cell types, such a problem is not as prominent as in mESCs. What's the most optimal culture condition for murine ESCs (for human ESCs, the problem is much more complicated)? Dr. Austin Smith and his postdoc Qi-long Ying (now hold a position at Univ South Carolina) contributed a lot to define the critical and essential components to culture murine ESCs. Although their 2i or 3i medium is sold by some companies (such as invitrogen) now, it can only be used to culture some specific strains of ESCs and the adhesion ability of these cells is also not good. But if we start from an instable point, these variations are reasonable. 7 Q" o; m( _6 G! _8 |2 j2 Z$ J" {
It's just my two cents.

tpwang

mcherry.f 发表于 2011-5-10 22:51
, X5 u5 y3 X" A' \I really appreciate your commentary. - L1 c  S/ p; U; L' U( c
Actually, since Dr. Martin Evans first isolated murine ESCs f ...

2 ]1 ?: _& V& s. T; e
确实，胚胎干细胞系之间的差异，包括多潜能因子表达的差异，从这个新模式来看，可以认为是一种“常态”而非可以消除的“非常态”。上述文章也讨论了所谓2i假说，认为这些inhibitors并非与调控因子无关而是相反。作者也说Austin Smith2005年提出the battlefield of pluripotency的说法，恰如其分地概括出了这个新模式的本质。各种所谓多潜能因子，之所以可以维持多潜能状态，正是因为它们本质上是特定方向的分化促发因子，同时也是其他方向分化的抑制因子，这些因子之间相互竞争，达到一个暂时的力量制衡状态，即所谓多潜能状态。其实，这也只是一个理论的框架，现实很可能是一个无时不在活动着的竞争状态，所谓“战场”。
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吾国古圣贤著易经，早已理会世间万物变动不居，而亦变动不易，“生生之为易”，“至动而不可乱”。易一名而含三义，其中变易与不易：多潜能因子互相作用生生不息，变易也。生生不息之（稳）态，不易也。譬之长流水之瀑布，即成即毁，亦固亦流。大自然之常态，生物细胞作为大自然的产物，固也不出此规律。2 x, T, a8 R4 T3 p& T" W0 U

* B# |& F. ?3 @, d% W. z题外话。

webber43

我想针对作者的几个观点，说说自己的想法。首先，作者在讨论多能性pluripotency的生理学意义时，我想举个例子来说一下。西方哲学史上有这样一个难题，就是“新船与旧船”的问题，不知道作者是否知道呵呵，大概说下，就是：有一艘船A，当它刚出现时是全新的，这时候我们说这只船是A，但是随着时间的过去，这只船一些部件坏掉了，然后被换掉了，到最后它所有的零件，包括甲板什么的都被全部换掉了，变成了另一艘船B。现在的问题是，在什么时候开始，A变成了B的？是不是哪个部件被换掉了，它就变了呢？这个问题一直都没有定论。而用到干细胞的多能性上说，多能性也可以拥有一种静息的状态，就像刚开始那崭新的A船一样，即ground state；而当环境改变以后，它就会慢慢发生改变，但是我们还是可以说它是多能性的，就像A被换了一些零件，我们还说那是船A。所以，总结一下就是，个人觉得去追究这样的严格意义上的多能性，至少以我们目前的认知和技术水平，是没有太大意义的。当然，我还是比较喜欢自己的两者皆有的说法，呵呵$ l7 y- E! s% S$ t1 A
而关于应用到实践上这个问题，确实是个很大的难题，因为我们不希望在治疗的过程中会有我们无法预知的意外。但是这个对于我们来说，是困难，也可能是机遇，我只想问问作者，对中医和中药有什么看法？时至今日，我们仍然无法确切的了解一味中药里面的确切成分和含量。但是利用这些中药却治愈了很多病人。其实我觉得各种成分只要维持在一个适当的水平，就能够有很好的，甚至90%以上的效果。就目前我们根本无法去寻找一个黄金标准，就像黄金比例一样，因为我们甚至连维持干性的物质都有哪些还不完全掌握。* Q' i/ j* l* X" _# }9 X% a& [
关于作者说的出错率高的问题，我有一个观点。也许生物本身依靠我们还没有发现的机制维持较低的出错率，而要想在体外运用中降低出错率，可能还得在基础研究上多下下功夫。
! h$ V/ d: B9 \6 W! r1 d0 o2 H' K以上说法仅代表个人观点，还请各位批评指正。还有那篇文章我的权限不够下不来，希望作者能传给我一下啊！谢谢！！

心醉夕阳1

曾经用  多种细胞因子配伍   刺激体内干细胞的增值: M- \( \6 k, p% d* g

6 W5 j7 N6 D4 y- J也观察了不同细胞因子配伍  多干细胞  扩增的影响  : x. M, C( N+ m) F2 \. e" S  k
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似乎在种子和环境之间  说不明的关系   核心因子真的就是核心吗？
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) O  g& ]; y, i+ w- \现在市场上  有一种多因子配伍制剂   用于抗衰老用途( L" t. p$ i* q& s+ w& F" A
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不严格的评估   和干细胞抗衰老的效果   一样  甚至  早期 反应更好  
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( a9 E8 \% ]$ l8 q在动静之间，在科学和哲学之间   运动是永恒的   冰冻和复苏  损伤是必然的  新鲜的和陈旧的  分化是必然的   
2 A  X" a" ]# V& f% \
& ]2 k4 L3 z; d+ L% K到底能不能把干细胞的所有机制都搞清楚，不断认识是绝对的" B( P/ `# n# \' x$ p
9 p+ N9 f. X- p
谢谢  T先生

sallyshaomy

动与静就是阴与阳，我们中国的阴阳学说用于科研再贴合不过了

cicadacjk

多能性的内在维持和分化基因的相互制约，本身就是胚胎干细胞这颗硬币的两面，本来提出另外一面也很好，但因此过渡担心这种状态的不稳定就没有必要了+ o% c$ e- K' x( F
事实证明长期传代的小鼠胚胎干细胞仍然可以通过四倍体互补产生健康小鼠，只要能够维持好，胚胎干细胞（至少在129的小鼠中）是很可靠的，重编程实验也证明了多能性状态有很强的表观遗传重塑功能，iPS传代一段时间后，绝大多数体细胞记忆都被抹除，外源病毒被沉默，X染色体被重新激活，这种或许是为了平衡受精前两套染色体的区别而发展的内在机制，其实也是多能性长期维持过程中细胞并不出错的原因之一
: P" _' U# g6 L) K多能性因子若只为分化而存在，那他们的组合就没有可能将体细胞转变为一个多能状态，一个所谓的分化势力相互交织，觊觎主导权的细胞类型，几个各怀鬼胎的多能性因子，如何能压制一种已经占主导地位的分化命运及诸多帮凶，让其他已经在分化过程中惨败的分化命运重新获得揭竿而起的命运？多能性因子必定代表了一种细胞命运，这种细胞命运也许并不稳定，但它能够赋予所有分化路径以同等的机会，能够赋予细胞接受外界刺激并启动分化的能力。
# a4 p/ Z* V/ |- `" e; B1 k  ~多能性因子应该也参与了分化过程中的命运决定，通过调节方向的变化，使得某些分化路线首先摆脱束缚，取得主导地位，因此在多能性丧失的过程中，不同的多能性因子，被关闭和蛋白降解的速度相差甚远，一部分甚至受到信号通路的极大影响，无非是组合出不同的调控减弱模式，通过这个来主导分化的产生。
! f9 o! `5 E$ ]# P' M3 i9 i正因为复杂，所以我并不确信所有哺乳动物都可以分离出真正的胚胎干细胞，但多能性这种内在细胞命运我是确定其存在的，而绝非分化因素相互制约的一种暂时平衡

心醉夕阳1

再读诸君见解   断章取义后道听途说" L! O" W+ V4 D7 T% W+ Q7 p

- y) a5 y  ~7 T5 L/ r: ^( a$ I6 u- C该文的作者从几个方面梳理引用了已有的文献，为上述理论提供了一定的支持，并认为胚胎干细胞的这个（不）稳态更符合发育的现实。并由此推断体外维持胚胎干细胞的多潜能状态要靠微妙的外源性因素和条件控制。- i& ?# T$ v& `: j6 [
核心变量成了特定多潜能因子（分化因子）与其它因子之间的互动关系，如相对量的关系，促进与抑制的关系，协同与拮抗的关系，以及个体因子在整个因子网络中的关系……。而从应用的角度，体外维持的多潜能细胞的采用，大概也要考虑特定的时间因素，状态的检测也需要更深一层的多因素互动网络结构等。
4 |. |/ X0 v  a种子和环境的博弈谁更主导？主要条件和次要条件以谁的标准评定？生长激素在儿童促进生长发育，但是到一定发育期量还是那个量，物还是那个物可是作用和目标变了，其中甲状腺、肾上腺、性腺   莫不在不同的阶段和不同的目的中承担不同的角色，离了谁，又变成了谁；谁也不知道，所以目的和目标才是多能因子配伍的要求，换句话说：目的决定环境，环境决定结果；
# @/ M0 L$ K& _7 j多能性的内在维持和分化基因的相互制约，本身就是胚胎干细胞这颗硬币的两面，
: s) @8 j) y' N! B两个主动词，内在维持和分化基因；是不是说维持和分化都是基因在起作用，如果是，那是内因决定论！如果分化是基因的必然，维持是因子的控制，是内外因矛盾论，符合后一句的硬币的两面性。也就是最起码的同等重要；但是T的文，恰恰说了是因子 制约了分化，应该趋向外因决定论。
) g$ `' |; ]0 y7 G6 X/ _多能性因子若只为分化而存在，那他们的组合就没有可能将体细胞转变为一个多能状态，一个所谓的分化势力相互交织，觊觎主导权的细胞类型，几个各怀鬼胎的多能性因子，如何能压制一种已经占主导地位的分化命运及诸多帮凶，让其他已经在分化过程中惨败的分化命运重新获得揭竿而起的命运？多能性因子必定代表了一种细胞命运，这种细胞命运也许并不稳定，但它能够赋予所有分化路径以同等的机会，能够赋予细胞接受外界刺激并启动分化的能力。9 W  j( \- ?! c9 o
在生命的不同阶段，外因也是必要条件。. n' d2 d9 y+ t$ E
根据以上观点产生的谬论：5 G! n' x& ?6 l
科学合理的多能因子组合，是可以直接诱导、激活、甚至控制体内干细胞的分化和生命状态；根据这一理论，一种或者一套可以全身流动的因子的价值绝对大于一群细胞的价值。
) E2 j/ n3 q" X  Q- }6 q' B请研究细胞因子的同志，指导。' q! G; e1 z  Z1 d# p  j
再次谢谢  T和C,% H, L. x+ I! A: R, }

心醉夕阳1

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) Z# ?1 t" B& a他山之石的佐证
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细胞在分裂时就不可避免受到微环境因素影响造成细胞质分配的不均匀性，对于细胞个体来说其命运的会由微环境作用在细胞质上发生改变，因此细胞只要活着就有机会分裂，只要分裂就遇到分裂的不对称问题，因此说活细胞都具备分化潜能；
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' W/ W$ I3 ?* [# ~! p7 R0 P$ w细胞微环境作用包括细胞之间的相互作用、细胞与粘附因子间的相互作用，细胞外基质成分、 氧气张力 生长因子、ATP、细胞因子的作用， 以及导致微环境pH、离子强度（如Ca2+ 浓度）代谢物等物理化学性质改变的因素（温度、张力、辐射、诱导物质、细菌、病毒等）, 这些因素可以通过与细胞发生直接或间接的作用来调控细胞增殖、分化、代谢和功能活动；0 }/ {0 b: o7 z: C

$ P3 h* M/ K" T( P$ Q/ h: P细胞的不对称分裂是在微环境压力下作出的方向性选择，在正常微环境中细胞按照既有的程序进行分化或基因表达，在不利微环境细胞将不能正常分裂、分化或表达，在更恶劣微环境下已经“细胞决定”的活细胞表观遗传限制依然会被突破，从而发生体细胞的“重编程（reprogram）”，重编程内容也要被写入子细胞基因文档，形成新的表观遗传特征，以便继承和指导下一步细胞演进方向 ；多数的“重编程”意味着“细胞病变”，病变意味着“死亡”或“新生”；
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# r" V" b% X, p: P# Y简而言之，微环境可以“改写”细胞的表观遗传特征，包括甲基化特征。任何活细胞都具有分化潜能，都是具有“可塑性”的干细胞。