干細胞的不對稱分裂、對稱分裂與腫瘤

段 丹

四川大學生命科學院，四川 成都 610064

干細胞，是分化程度較低，仍具分化成不同類型細胞的潛能，且可自我更新的一類細胞。它既可“自我更新”，產生更多的干細胞維持自身分化發育潛能，又可產生分化細胞。其完成這兩項任務的一種方式是不對稱分裂，即每個干細胞分裂產生一個有干細胞特性的子細胞（自我更新）和一個分化的子細胞。這種分裂方式在其它類型細胞中很罕見，它使細胞一次分裂便可完成兩個任務，效率高且可維持干細胞數目穩定。而干細胞的數量在發育過程中和受損后再生過程中會顯著增加，因此干細胞的增殖方式不僅包括不對稱分裂，還有對稱分裂。

對稱分裂是產生具有同樣命運子細胞的分裂方式。當一群干細胞被作為一個群體看待時，具有同樣發育潛能的干細胞可能在一些分裂過程中只產生具有干性的子細胞，而在另一些分裂過程中則只產生分化細胞。總的來說，干細胞可完全依賴于對稱分裂或依賴于對稱分裂和不對稱分裂的組合。在模式生物Caenorhabditis elegans，Drosophila和脊椎動物的研究中，干細胞的這兩種分裂方式均有充足的證據。

在本篇綜述中，我們將探究多數干細胞對稱或不對稱的分裂模式及這兩種模式之間如何受發育階段和環境中信號調控達到平衡以產生適當數量的干細胞和分化的子細胞。在此，我們根據細胞分裂產生子細胞命運的不同將其分為對稱分裂和不對稱分裂。盡管已有的數據并不完全，它們仍可表明絕大多數干細胞具有在對稱分裂和不對稱分裂之間轉換的能力，而疾病狀態下這兩種分裂模式間轉換的平衡是缺陷的。

1 干細胞和不對稱分裂

不對稱細胞分裂在干細胞調控過程中發揮重要作用。目前研究表明不同物種，不同組織間的干細胞不對稱分裂機制不盡相同甚至完全不同，但可能有一些共同的調控過程，概括起來主要有如下幾種。

1）細胞分裂時細胞命運決定因子不對稱分布于子細胞中。典型例子是Drosophila成神經細胞的不對稱分裂。在Drosophila成神經細胞中，一個進化中保守的細胞命運決定因子Numb不對稱分布于將要分化的子細胞中。Numb是Notch信號通路的抑制因子，其不對稱分布導致細胞命運的不同[2]。

2）細胞極性因子不對稱分布或受外源信號調控導致中心粒和紡錘體的不對稱分布。Par-3，Par-6和aPKC這3種蛋白在胞內的不對稱分布決定了細胞極性軸的取向，進而引發其它命運決定蛋白和紡錘體的極性分布[3]。此外，Yamashita等報道在Drosophila雄性生殖干細胞分裂過程中，在干細胞巢提供的信號的作用下，母細胞的中心粒留在靠近細胞巢一側，而子中心粒移入細胞另一側，產生的兩個子細胞命運也不同[4]。

3）干細胞巢通過信號傳導和直接與干細胞相互作用調控其分裂面和胞內信號不均分布導致干細胞的不對稱分裂。干細胞巢是維持干細胞狀態的“微環境”。Drosophila生殖干細胞可重復地定向分裂產生一個留在干細胞巢中的保留干細胞特征的子細胞和一個被排出干細胞巢并開始分化的子細胞。卵巢中，組成干細胞巢的帽細胞合成配體Decapentaplegic（DPP）和Glass bottom boat（GBB），他們可激活生殖干細胞中的骨形態發生蛋白（BMP）信號傳導，因此抑制編碼促進分化的蛋白的bag-of-marbles基因。干細胞巢和生殖干細胞接觸部位的特定連接將干細胞錨定于其上。更重要的是，這些定向不對稱分裂的干細胞控制子細胞的定位，進而控制它們與外界信號的接觸從而調控干細胞特性。

4）不朽DNA鏈在子細胞和母細胞中的不對稱分配。Shinin等在成體肌肉干細胞肌衛星細胞中已觀察到母細胞的DNA鏈傾向于共同進入某一子細胞，這從一定程度上暗示維持干細胞特性的子細胞保留母鏈DNA，以避免可能發生的復制錯誤和突變。該現象在體外培養中同樣存在，說明其獨立于體內的干細胞巢[5]。

5）染色體的表觀遺傳修飾，折疊形成二級結構等。一些染色質結合因子，如可激活或抑制組蛋白修飾的因子，可影響參與自我更新過程的DNA結合蛋白的表達和作用，進而影響該DNA的表達和活性，使表觀修飾不同的子細胞具有不同的表達和命運，參與不同的生理活動[6]。

現已證實，雖然有相當的保守性，不對稱分裂機制在不同的物種和不同的組織中具有特異性。有的組織的不對稱分裂一種因素占主導，如C. elegans受精卵的不對稱分裂主要需要PAR-3，PAR-6和位于表層的非典型蛋白激酶C（PAR-aPKC）復合物的不對稱定位，而不對稱分布的PAR蛋白反過來也控制紡錘體定位和胞質細胞命運決定因子的不對稱分離[7]。有些則是綜合作用的結果，胞外信號影響胞內決定因子的分布，而胞內因子的不對稱分布也影響對胞外信號的應答，如Numb改變了繼承它的子細胞對Notch信號的應答。

2 對稱分裂可擴增干細胞數量

在無脊椎動物和脊椎動物的發育過程中均能觀察到干細胞的對稱分裂，且對稱分裂在創傷修復和再生中也十分常見。干細胞以對稱分裂方式增殖以干細胞數目的增加為標志。

在C. elegans的生殖系中，線蟲孵化出來時僅有兩個生殖干細胞，但在以后的幼蟲發育階段，它們卻繁殖出成體性腺中約2000個子細胞，包括一池未分化的性細胞和一池分化的配子細胞。一些證據表明C. elegans生殖細胞在幼蟲發育階段對稱分裂。首先，分裂產生的子細胞具有相同的大小和形態，且分裂面和子細胞的位置也不固定。第二，一個或多個生殖細胞可通過激光消融被移除而不影響干細胞自我更新和產生配子的能力。第三，實驗上在早期發育階段，即當所有生殖細胞均在增殖的時候，對干細胞巢的重新定位使只要接近它的生殖細胞均能維持干性。最后，干細胞巢的復制導致干細胞池的翻倍。因此，在生殖細胞系的增殖階段，C. elegans生殖細胞產生具有相同發育潛能，卻由于位置和干細胞巢數目的不同最終具有不同分化命運的子細胞[1]。在Drosophila幼蟲發育過程中，最近也觀察到了類似的生殖細胞對稱分裂的現象。

哺乳動物干細胞在胚胎或早期幼體發育階段似乎也大量經歷對稱分裂以擴增干細胞數量。例如，小鼠造血干細胞在妊娠中期每天都將數量翻倍，表明這些干細胞中的大部分都須經歷對稱的自我更新分裂。但是，目前對這些干細胞分裂的直接觀測尚未實現。類似的，幼體表皮的細胞分裂也似乎大多數是等分，在干細胞存在的基底層產生形態相同的未分化細胞。但是，形態位置相同，均存在于干細胞部位的子細胞仍有可能具不同的分化潛能。因此，在沒有直接證據表明發育潛能和細胞命運的時候，對等分裂和不等分裂的推斷都是基于一個不完整的標準的，只是暫時適用的。

3 等分裂可持續到成體

等分裂的干細胞在發育中的組織中很常見，但在成體中也常觀測到，如成體Drosophila的卵巢。Drosophila成體生殖干細胞一般不對稱分裂，但雌性生殖干細胞在實驗操作手段下可被誘導進行對稱分裂并再生出額外的干細胞，其中之一被移出干細胞巢。因此，Drosophila成體生殖干細胞可在不對稱分裂和對稱分裂之間轉換。

最近的實驗進一步表明Drosophila生殖干細胞的子細胞盡管具有不同的細胞形態，但仍具有相同的發育潛力。在卵巢中，生殖干細胞可通過熱擊啟動子誘導促進分化的活化因子bag-ofmarbles表達，同時卵巢體細胞中DPP配體異位表達，而丟失干細胞形態并獲得了具分化命運的子細胞的細胞特征。當調節因子活性被抑制，正在分化的細胞又可重獲干細胞形態和干細胞的發育潛能[8]。

可能的解釋是Drosophila生殖干細胞通過不等分裂產生具相同分化潛能但位于具有不同信號途徑的干細胞巢的位置。這些相同的子細胞根據某些信號通路的存在或缺失而獲取不同的標記。這一觀點可被更直接地驗證，如調換兩個子細胞在巢中的位置觀察它們的命運是否調換或通過激光消融技術移除一個干細胞來觀察另一個正在分化的子細胞是否可以進入干細胞巢并獲取干細胞命運。但是這些物理操作在目前的系統下仍有相當的難度[1]。

4 干細胞分裂和腫瘤

干細胞對稱分裂的自我更新能力可維持發育的可塑性，增加生長能力和修復能力，卻也可能造成內在的腫瘤形成風險。一般情況下，Drosophila的成神經細胞受表層極性因子的不對稱分布（如PINS和aPKC），細胞命運決定因子（如Numb和Prospero）的不對稱分布以及有絲分裂紡錘體的分布而進行不對稱分裂。但當調節不對稱分裂的機制受到干擾，這些成神經細胞便開始對稱分裂并形成腫瘤。

缺少PINS的細胞克隆具成瘤性，且缺少PINS和LGL的雙突變細胞能產生主要由對稱分裂和自我更新的成神經細胞組成的大腦。缺少細胞命運決定因子Numb或Prospero的細胞克隆具成瘤性并可在移植到新宿主后繁殖。此外，這些腫瘤細胞在進行對稱分裂40天后即具有染色體非整倍性。一個較具說服力的解釋是對稱分裂的能力可能是成瘤轉變的前提條件且腫瘤至少部分反映出對稱分裂的能力。

促進不等細胞分裂的機制在腫瘤抑制過程中扮演著進化上保守的角色。基因APC為Drosophila精原干細胞的不對稱分裂所必需且也是哺乳動物小腸上皮細胞的一個重要的腫瘤抑制因子。Numb基因的缺失可能導致乳腺癌中Notch信號通路的過度興奮。盡管這些基因的產物可以通過多種途徑抑制腫瘤發生，有些獨立于它們對細胞極性的作用，但它們作為腫瘤抑制因子暗示了不對稱分裂本身可以抑癌。

對稱分裂和腫瘤之間的關系被哺乳動物細胞中一些基因既能誘導對稱分裂也能作為原癌基因的現象進一步證明。一個例子是aPKC，一個非典型的蛋白激酶，正常情況下作為PAR-aPKC復合物的一部分定位于成神經細胞頂端。變異的aPKC導致對稱分裂的成神經細胞數目的增加。與Drosophila成瘤潛力相一致，aPKC在人類肺癌中也被確定為原癌基因。由此推測不對稱分裂除了維持干細胞數目和分化后代的平衡，可能還具有抑癌作用。

對稱分裂可能不僅促進干細胞的增殖，也進而促進染色體非整倍性的發生率。與這一假設相一致，不對稱分裂的機制調控紡錘體的定向。導致果蠅成神經細胞對稱分裂出現非整倍性的原因可能是功能缺失的中心體，不論是復制錯誤還是形態失常，都可能導致染色體分裂異常。在哺乳動物細胞中由腫瘤抑制因子調控的中心粒功能對避免基因組的不穩定性十分重要。事實上，在不等分裂的細胞中，中心體和紡錘體似乎都被嚴格調控以保證子細胞獲得不同的命運。可以合理推測被嚴格調控的中心體可保護染色體避免分離中的錯誤。如果是這樣的話，對稱分裂可能不僅增加干細胞數目，也會由于對紡錘體控制的放松而增加非整倍性和其它連帶突變的可能性[1]。

5 展望

早期發育和損傷后的干細胞對稱分裂對發育和損傷后修復具有重要意義。而其在依賴于發育和環境因素的對稱和非對稱分裂模式間的轉換是增加修復能力并擴展細胞壽命的關鍵。干細胞對稱分裂的增加具有致瘤的額外風險，尤其考慮到腫瘤細胞經常出現于成體干細胞的轉換過程中。此外，如果腫瘤生長和發展由腫瘤干細胞驅動，這一過程可能依賴于能使干細胞級數擴增的分裂模式。

今后的重要論題是干細胞是如何受調控而在對稱分裂和不對稱分裂間轉換的。對這一過程在分子水平的認識不僅有利于基礎干細胞學的研究，還對干細胞治療的調控有重要的臨床意義。

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