干細(xì)胞的不對稱分裂、對稱分裂與腫瘤

段 丹

四川大學(xué)生命科學(xué)院，四川 成都 610064

干細(xì)胞，是分化程度較低，仍具分化成不同類型細(xì)胞的潛能，且可自我更新的一類細(xì)胞。它既可“自我更新”，產(chǎn)生更多的干細(xì)胞維持自身分化發(fā)育潛能，又可產(chǎn)生分化細(xì)胞。其完成這兩項任務(wù)的一種方式是不對稱分裂，即每個干細(xì)胞分裂產(chǎn)生一個有干細(xì)胞特性的子細(xì)胞（自我更新）和一個分化的子細(xì)胞。這種分裂方式在其它類型細(xì)胞中很罕見，它使細(xì)胞一次分裂便可完成兩個任務(wù)，效率高且可維持干細(xì)胞數(shù)目穩(wěn)定。而干細(xì)胞的數(shù)量在發(fā)育過程中和受損后再生過程中會顯著增加，因此干細(xì)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(chǎn)生具有同樣命運(yùn)子細(xì)胞的分裂方式。當(dāng)一群干細(xì)胞被作為一個群體看待時，具有同樣發(fā)育潛能的干細(xì)胞可能在一些分裂過程中只產(chǎn)生具有干性的子細(xì)胞，而在另一些分裂過程中則只產(chǎn)生分化細(xì)胞?？偟膩碚f，干細(xì)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(xì)胞的這兩種分裂方式均有充足的證據(jù)。

在本篇綜述中，我們將探究多數(shù)干細(xì)胞對稱或不對稱的分裂模式及這兩種模式之間如何受發(fā)育階段和環(huán)境中信號調(diào)控達(dá)到平衡以產(chǎn)生適當(dāng)數(shù)量的干細(xì)胞和分化的子細(xì)胞。在此，我們根據(jù)細(xì)胞分裂產(chǎn)生子細(xì)胞命運(yùn)的不同將其分為對稱分裂和不對稱分裂。盡管已有的數(shù)據(jù)并不完全，它們?nèi)钥杀砻鹘^大多數(shù)干細(xì)胞具有在對稱分裂和不對稱分裂之間轉(zhuǎn)換的能力，而疾病狀態(tài)下這兩種分裂模式間轉(zhuǎn)換的平衡是缺陷的。

1 干細(xì)胞和不對稱分裂

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

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

2）細(xì)胞極性因子不對稱分布或受外源信號調(diào)控導(dǎo)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(nèi)的不對稱分布決定了細(xì)胞極性軸的取向，進(jìn)而引發(fā)其它命運(yùn)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(xì)胞分裂過程中，在干細(xì)胞巢提供的信號的作用下，母細(xì)胞的中心粒留在靠近細(xì)胞巢一側(cè)，而子中心粒移入細(xì)胞另一側(cè)，產(chǎn)生的兩個子細(xì)胞命運(yùn)也不同[4]。

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

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

5）染色體的表觀遺傳修飾，折疊形成二級結(jié)構(gòu)等。一些染色質(zhì)結(jié)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(jié)合蛋白的表達(dá)和作用，進(jìn)而影響該DNA的表達(dá)和活性，使表觀修飾不同的子細(xì)胞具有不同的表達(dá)和命運(yùn)，參與不同的生理活動[6]。

現(xiàn)已證實，雖然有相當(dāng)?shù)谋Ｊ匦?，不對稱分裂機(jī)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(dǎo)，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(fù)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(zhì)細(xì)胞命運(yùn)決定因子的不對稱分離[7]。有些則是綜合作用的結(jié)果，胞外信號影響胞內(nèi)決定因子的分布，而胞內(nèi)因子的不對稱分布也影響對胞外信號的應(yīng)答，如Numb改變了繼承它的子細(xì)胞對Notch信號的應(yīng)答。

2 對稱分裂可擴(kuò)增干細(xì)胞數(shù)量

在無脊椎動物和脊椎動物的發(fā)育過程中均能觀察到干細(xì)胞的對稱分裂，且對稱分裂在創(chuàng)傷修復(fù)和再生中也十分常見。干細(xì)胞以對稱分裂方式增殖以干細(xì)胞數(shù)目的增加為標(biāo)志。

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

哺乳動物干細(xì)胞在胚胎或早期幼體發(fā)育階段似乎也大量經(jīng)歷對稱分裂以擴(kuò)增干細(xì)胞數(shù)量。例如，小鼠造血干細(xì)胞在妊娠中期每天都將數(shù)量翻倍，表明這些干細(xì)胞中的大部分都須經(jīng)歷對稱的自我更新分裂。但是，目前對這些干細(xì)胞分裂的直接觀測尚未實現(xiàn)。類似的，幼體表皮的細(xì)胞分裂也似乎大多數(shù)是等分，在干細(xì)胞存在的基底層產(chǎn)生形態(tài)相同的未分化細(xì)胞。但是，形態(tài)位置相同，均存在于干細(xì)胞部位的子細(xì)胞仍有可能具不同的分化潛能。因此，在沒有直接證據(jù)表明發(fā)育潛能和細(xì)胞命運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)的，只是暫時適用的。

3 等分裂可持續(xù)到成體

等分裂的干細(xì)胞在發(fā)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(xì)胞一般不對稱分裂，但雌性生殖干細(xì)胞在實驗操作手段下可被誘導(dǎo)進(jìn)行對稱分裂并再生出額外的干細(xì)胞，其中之一被移出干細(xì)胞巢。因此，Drosophila成體生殖干細(xì)胞可在不對稱分裂和對稱分裂之間轉(zhuǎn)換。

最近的實驗進(jìn)一步表明Drosophila生殖干細(xì)胞的子細(xì)胞盡管具有不同的細(xì)胞形態(tài)，但仍具有相同的發(fā)育潛力。在卵巢中，生殖干細(xì)胞可通過熱擊啟動子誘導(dǎo)促進(jìn)分化的活化因子bag-ofmarbles表達(dá)，同時卵巢體細(xì)胞中DPP配體異位表達(dá)，而丟失干細(xì)胞形態(tài)并獲得了具分化命運(yùn)的子細(xì)胞的細(xì)胞特征。當(dāng)調(diào)節(jié)因子活性被抑制，正在分化的細(xì)胞又可重獲干細(xì)胞形態(tài)和干細(xì)胞的發(fā)育潛能[8]。

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

4 干細(xì)胞分裂和腫瘤

干細(xì)胞對稱分裂的自我更新能力可維持發(fā)育的可塑性，增加生長能力和修復(fù)能力，卻也可能造成內(nèi)在的腫瘤形成風(fēng)險。一般情況下，Drosophila的成神經(jīng)細(xì)胞受表層極性因子的不對稱分布（如PINS和aPKC），細(xì)胞命運(yùn)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(jìn)行不對稱分裂。但當(dāng)調(diào)節(jié)不對稱分裂的機(jī)制受到干擾，這些成神經(jīng)細(xì)胞便開始對稱分裂并形成腫瘤。

缺少PINS的細(xì)胞克隆具成瘤性，且缺少PINS和LGL的雙突變細(xì)胞能產(chǎn)生主要由對稱分裂和自我更新的成神經(jīng)細(xì)胞組成的大腦。缺少細(xì)胞命運(yùn)決定因子Numb或Prospero的細(xì)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(xì)胞在進(jìn)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(zhuǎn)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(jìn)不等細(xì)胞分裂的機(jī)制在腫瘤抑制過程中扮演著進(jìn)化上保守的角色。基因APC為Drosophila精原干細(xì)胞的不對稱分裂所必需且也是哺乳動物小腸上皮細(xì)胞的一個重要的腫瘤抑制因子。Numb基因的缺失可能導(dǎo)致乳腺癌中Notch信號通路的過度興奮。盡管這些基因的產(chǎn)物可以通過多種途徑抑制腫瘤發(fā)生，有些獨(dú)立于它們對細(xì)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(guān)系被哺乳動物細(xì)胞中一些基因既能誘導(dǎo)對稱分裂也能作為原癌基因的現(xiàn)象進(jìn)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(fù)合物的一部分定位于成神經(jīng)細(xì)胞頂端。變異的aPKC導(dǎo)致對稱分裂的成神經(jīng)細(xì)胞數(shù)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(xì)胞數(shù)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(jìn)干細(xì)胞的增殖，也進(jìn)而促進(jìn)染色體非整倍性的發(fā)生率。與這一假設(shè)相一致，不對稱分裂的機(jī)制調(diào)控紡錘體的定向。導(dǎo)致果蠅成神經(jīng)細(xì)胞對稱分裂出現(xiàn)非整倍性的原因可能是功能缺失的中心體，不論是復(fù)制錯誤還是形態(tài)失常，都可能導(dǎo)致染色體分裂異常。在哺乳動物細(xì)胞中由腫瘤抑制因子調(diào)控的中心粒功能對避免基因組的不穩(wěn)定性十分重要。事實上，在不等分裂的細(xì)胞中，中心體和紡錘體似乎都被嚴(yán)格調(diào)控以保證子細(xì)胞獲得不同的命運(yùn)?？梢院侠硗茰y被嚴(yán)格調(diào)控的中心體可保護(hù)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(xì)胞數(shù)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(fā)育和損傷后的干細(xì)胞對稱分裂對發(fā)育和損傷后修復(fù)具有重要意義。而其在依賴于發(fā)育和環(huán)境因素的對稱和非對稱分裂模式間的轉(zhuǎn)換是增加修復(fù)能力并擴(kuò)展細(xì)胞壽命的關(guān)鍵。干細(xì)胞對稱分裂的增加具有致瘤的額外風(fēng)險，尤其考慮到腫瘤細(xì)胞經(jīng)常出現(xiàn)于成體干細(xì)胞的轉(zhuǎn)換過程中。此外，如果腫瘤生長和發(fā)展由腫瘤干細(xì)胞驅(qū)動，這一過程可能依賴于能使干細(xì)胞級數(shù)擴(kuò)增的分裂模式。

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

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