2014年發(fā)表在CELL上的綜述文章：重新思考分化：干細(xì)胞、再生和可塑性
Rethinking Differentiation: Stem Cells, Regeneration, and Plasticity | Cell
下部分翻譯如下：
細(xì)胞命運的可塑性
如果發(fā)育是從受孕到死亡的連續(xù)過程，那么重要的是要問細(xì)胞“功能成熟”或“分化”意味著什么?，F(xiàn)代細(xì)胞分化概念的起源可以追溯到奧古斯特·魏斯曼 (August Weismann, 1893) 的有影響力的著作《生殖質(zhì)理論》(The Theory of the Germ Plasm) 。 Weismann 提出的概念是在胚胎發(fā)生早期產(chǎn)生了兩種細(xì)胞類型：一種將個體的遺傳信息傳遞給下一代（性腺中的生殖細(xì)胞），另一種產(chǎn)生有機體中的所有其他細(xì)胞類型（體細(xì)胞）。這意味著，隨著體細(xì)胞的發(fā)育，它們的分化能力逐漸和不可逆轉(zhuǎn)地受到限制，以至于每個細(xì)胞只能分化成單一的特定細(xì)胞類型（例如肌肉、神經(jīng)元、上皮細(xì)胞等）。從一開始，這一概念就受到再生研究的挑戰(zhàn)，在再生研究中，新組織是由預(yù)先存在的細(xì)胞生成的，根據(jù)魏斯曼的理論，由終末分化細(xì)胞生成，魏斯曼在他的書中為此主題專門寫了一個完整但沒有結(jié)論的章節(jié)（Weismann，1893）。
有趣的是，已有的數(shù)據(jù)表明，能夠產(chǎn)生軀體的胚胎細(xì)胞的發(fā)育能力并不受限制，而魏斯曼本應(yīng)該很容易獲得這種工作。這項工作涉及對管水母胚胎的研究，并于1869年由恩斯特·海克爾(Ernst Haeckel, 1869)發(fā)表。雖然傳統(tǒng)上被認(rèn)為是Roux和Driesch的研究成果(Gilbert, 2013)，但?？藸柊l(fā)現(xiàn)，被切除的Siphonophore胚胎片段可以產(chǎn)生完整的幼蟲(Haeckel, 1869)(圖3)。盡管這篇論文被科學(xué)家和大多數(shù)科學(xué)歷史學(xué)家廣泛忽視(一個顯著的例外情況見Richards[2008])，但它是胚胎細(xì)胞多能性的首次明確證明，比Roux和Driesch的研究早了近30年。
圖 3. 管水母細(xì)胞中芽胞的多能性演示
將管水母幼蟲分成兩半（圖 73 和 74 ）。物理分離幾小時后，相同的幼蟲減半（圖 75 和 76 ）。解剖后 8 天幼蟲分成三份（圖 77、78 和 79）。圖77和79顯示了發(fā)育出氣囊和息肉（圖77）和正常、完整的幼蟲（圖79）。最后，圖 80、81、82 和 83 說明了將虹吸管幼蟲四等分的結(jié)果，只有 83 正常發(fā)育（Haeckel，1869）。
最終，提出了其他實驗證據(jù)，表明細(xì)胞的發(fā)育命運確實具有很大的可塑性。使用不同色素的水螅(圖4)，埃塞爾·布朗(Ethel Browne)描述了當(dāng)將口(下口)組織移植到另一只水螅的體壁時，如何在移植部位產(chǎn)生“必要的刺激，促使新的水螅發(fā)育”(Browne Harvey, 1909)。后來，在Hans Spemann實驗室工作的研究生Hilde Proescholdt Mangold在青蛙胚胎上進(jìn)行了類似的實驗，她將胚孔唇的一片移植到另一條遠(yuǎn)離宿主胚孔的原腸的側(cè)翼，從而產(chǎn)生了次級體軸(Mangold and Spemann, 1924)?？傊?，?？藸枴⒉祭?、普羅伊斯肖特等人的實驗(Lewis, 1904; Spemann, 1901)的結(jié)論表明，胚胎細(xì)胞的命運是可逆轉(zhuǎn)的，它們的分化程序可以通過實驗重新編程。
圖 4. Ethel Browne Harvey 的開創(chuàng)性工作，展示了移植組織重新編程宿主細(xì)胞命運的能力
這張圖片是從原作(Browne Harvey，1909年)復(fù)制的，它展示了在水螅的有色(綠色)和非有色品系之間移植不同身體部位的特殊結(jié)果。(42)綠色水螅中間有開口的白色觸手的嫁接物。(43)綠色水螅腳上帶有開口的白色觸手的移植物。(44)白色水螅的綠色觸手的移植物，沒有開口。(45)白色水螅綠色體組織的移植物。(46)白水螅中綠水螅的嫁接。(47)白水螅中綠腳的嫁接。(48)嫁接在白色水螅上的綠色組織的反向環(huán)中的異形
同樣有趣的是，這種可塑性不僅限于胚胎細(xì)胞。1891年，Colucci報道了在晶狀體全摘除后，水貂的晶狀體再生能力(Colucci，1891)，并在1895年，Wolff證明再生晶狀體的來源是虹膜背部有色素的上皮細(xì)胞，這提供了第一個活體成年細(xì)胞重編程的例子(Wolff，1895)。隨后的研究表明，著色的背側(cè)上皮細(xì)胞必須重新進(jìn)入細(xì)胞周期并去分化，才能發(fā)生晶狀體再生(Eguchi and Shingai，1971；Reyer，1977；Yamada，1977)。最近，在渦蟲身上顯示，在沒有干細(xì)胞的截肢片段中的有絲分裂后組織可以重新編程它們的基因組輸出，并表達(dá)(Reddien等人，2007年)和抑制(Gurley等人，2010年)模式信號。這種調(diào)制是必需的，以允許被截斷的碎片劇烈地重新排列先前存在的組織，以產(chǎn)生具有適當(dāng)異速生長比例的器官系統(tǒng)的完整補充。這些觀察表明，分化細(xì)胞中的重編程機制必須存在，以允許調(diào)節(jié)渦蟲體模式的信號蛋白表達(dá)位點發(fā)生快速變化。
最值得注意的是，完整的成體生物可以通過有待闡明的重編程機制完全恢復(fù)到幼蟲狀態(tài)(圖5)。據(jù)報道，在熱、化學(xué)、物理壓力或僅僅是老化(衰老)的情況下，水螅蟲物種Turritopsis dohrnii, Turritopsis nutricola, Laodicea undulate 和 Podocoryne carnea以及可能更多的物種(Piraino等人，2004年)通過將成體狀態(tài)回復(fù)到幼年、早期發(fā)育階段來恢復(fù)其生命周期(Carlaèt al., 2003;Piraino et al., 1996; Schmich et al., 2007)。水螅蟲以及渦蟲和蠑螈去分化的這種巨大的潛力，提供了獨特的實驗范式來理解基因表達(dá)的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)及其伴隨的細(xì)胞行為如何控制個體發(fā)育的方向性，即正常與反向發(fā)育，以及細(xì)胞“分化”意味著什么。
圖 5. 據(jù)報道能夠逆向發(fā)育的動物
(A) Turritopsis dohrnii（燈塔水母）。 (B) Laodicea undulate（勞迪西亞斑紋水螅）。圖片來自Alvaro E. Migotto 。
細(xì)胞重編程
分化狀態(tài)的體內(nèi)可塑性可以通過直接操縱細(xì)胞及其環(huán)境來人工誘導(dǎo)。Holtfreter (1947)在20世紀(jì)中期報道了一個環(huán)境擾動導(dǎo)致細(xì)胞命運變化的顯著例子。在這些實驗中，將原本要形成皮膚的青蛙細(xì)胞在接觸低pH值的溶液時會發(fā)育成腦組織(Holtfreter，1947)。然而，第一次嘗試直接和特異性地對細(xì)胞進(jìn)行重新編程涉及到將較老的分化細(xì)胞移植到較年輕的未分化細(xì)胞中。這個概念首先由漢斯·斯佩曼(Spemann，1938)提出，但通過Briggs和king耐心和開創(chuàng)性的工作取得了成果，他們開發(fā)了將囊胚細(xì)胞核移植到去核青蛙卵母細(xì)胞中的方法(Briggs和King，1952)。這一成就很快被John Gurdon的工作所繼承，他擴(kuò)展了這一方法，將青蛙腸中的細(xì)胞核移植到卵母細(xì)胞中，并產(chǎn)生克隆的、體細(xì)胞衍生的成年青蛙(Gurdon等人，1958)。隨著我們對導(dǎo)致細(xì)胞定型和分化的分子過程的了解增加，不通過移植細(xì)胞核而是通過將基因功能引入細(xì)胞來重新編程細(xì)胞成為可能。Harold Weintraub出色地完成了這一工作，他和他的團(tuán)隊優(yōu)雅地證明了用單一轉(zhuǎn)錄因子(在這種情況下為MyoD)轉(zhuǎn)化成纖維細(xì)胞、色素細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和肝細(xì)胞足以將這些細(xì)胞推入肌源性發(fā)育途徑(Tapscott等人，1988；溫特勞布等人，1989年)。
這些工作為2006年iPSCs的產(chǎn)生鋪平了道路(Takahashi and Yamanaka，2006)。通過同時引入四種轉(zhuǎn)錄因子——即Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc——小鼠成纖維細(xì)胞被轉(zhuǎn)化為與胚胎干細(xì)胞幾乎相同的細(xì)胞。通過培養(yǎng)囊胚的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)，小鼠ES細(xì)胞最初是由馬丁·埃文斯(Evans and Kaufman, 1981)和蓋爾·馬丁 (Martin, 1981)于1981年提出的。這種胚胎干細(xì)胞可以無限增殖并同時保持多能性。體細(xì)胞可以通過少數(shù)轉(zhuǎn)錄因子完全恢復(fù)到胚胎狀態(tài)的意外發(fā)現(xiàn)很快導(dǎo)致信號通路的化學(xué)操縱以重新編程細(xì)胞(Hou et al., 2013; Li et al., 2009)以及發(fā)現(xiàn)因子介導(dǎo)的胰腺外分泌細(xì)胞向β細(xì)胞（Zhou et al., 2008) 和成纖維細(xì)胞向其他細(xì)胞譜系的轉(zhuǎn)化，如神經(jīng)元(Vierbuchen等，2010)、肝細(xì)胞(Sekiya和，2011)和心肌細(xì)胞(Ieda等，2010)。
通過干擾細(xì)胞的環(huán)境或人工改變其基因組輸出來對細(xì)胞進(jìn)行重新編程是可能的，這一事實表明分化狀態(tài)的可塑性可能不限于簡單的動物，并且去分化程序可能比目前大多數(shù)人認(rèn)為的更普遍，并且在所有動物(包括人類)中分布更廣。最近對老鼠的研究表明情況可能是這樣的。當(dāng)白細(xì)胞暴露于低pH值的溶液時，細(xì)胞去分化并開始表達(dá)早期胚胎典型的基因標(biāo)記，這種現(xiàn)象稱為刺激觸發(fā)的多能性獲得(STAP) (Obokata等人，2014b)。同樣值得注意的是，當(dāng)注射到胚胎中時，STAP細(xì)胞產(chǎn)生嵌合體——這一特性以前被認(rèn)為是胚胎干細(xì)胞和iPSCs的專屬領(lǐng)域(Obokata等人，2014a)。然而，雖然同時出乎意料和耐人尋味，這些結(jié)果等待獨立的證實。（注：后來已證實小保方晴子等人進(jìn)行了學(xué)術(shù)造假）
STAP 現(xiàn)象如果得到證實，可以解釋一系列關(guān)于成年哺乳動物體內(nèi)多能干細(xì)胞存在的爭議性發(fā)現(xiàn)。 2001 年，Verfaillie 及其同事報道了通過選擇特定的表面標(biāo)記和在特定培養(yǎng)條件下擴(kuò)增獲得的細(xì)胞的組合，從成人骨髓中分離出多能干細(xì)胞。他們將這些細(xì)胞 MAPC 命名為多能成體祖細(xì)胞（Reyes 和 Verfaillie，2001）。隨后，隨著這些發(fā)現(xiàn)的報道，可以通過將小鼠 MAPC 移植到囊胚中來產(chǎn)生嵌合小鼠（Jiang 等，2002）。然而，這項工作遭到了懷疑，因為它只能在少數(shù)實驗室中復(fù)制。最近，其他小組報告了從成人人體組織中分離多能干細(xì)胞的情況（Heneidi 等人，2013；Kuroda 等人，2010；Obokata 等人，2011；Roy 等人，2013）。值得注意的是，Desawa 和 Chazenbalk 實驗室表明，多能干細(xì)胞（他們將其命名為多向分化壓力持久（muse）細(xì)胞）可以來自長期暴露于膠原酶、血清剝奪、低溫和缺氧的人體體組織并認(rèn)為 Muse 細(xì)胞已經(jīng)存在于正常成人體內(nèi)，但在嚴(yán)重細(xì)胞應(yīng)激條件下優(yōu)先擴(kuò)增（Heneidi 等人，2013；Kuroda 等人，2010）。盡管 Muse 和 STAP 程序非常相似，但 STAP 論文提供了不同的解釋——本質(zhì)上，哺乳動物組織的成體多能干細(xì)胞，在以前的工作被認(rèn)為是預(yù)先存在的干細(xì)胞，其實有可能是在隔離和培養(yǎng)中由應(yīng)激誘導(dǎo)的重編程產(chǎn)生的。因此，在自然界中，對于許多細(xì)胞和許多生物體而言，分化狀態(tài)似乎不是終末的，而是穩(wěn)定的，并且在諸如損傷和疾病甚至自然衰老過程等各種環(huán)境條件下，細(xì)胞狀態(tài)可以重新編程。
來自科學(xué)的技術(shù)：源自患者的干細(xì)胞和醫(yī)療應(yīng)用
2007 年發(fā)現(xiàn)可以獲得人類 iPSC ，這為大量供應(yīng)多種功能性人類細(xì)胞提供了前所未有的機會（Park 等人，2008；Takahashi 等人，2007；Yu 等人，2007）。 iPSC 在醫(yī)學(xué)中的一種潛在應(yīng)用是細(xì)胞治療領(lǐng)域。已證明移植源自 iPSC 的分化細(xì)胞可成功誘導(dǎo)鐮狀細(xì)胞性貧血（Hanna 等人，2007 年）、血小板缺乏癥（Takayama 等人，2010 年）、帕金森病（Wernig 等人，Wernig 等人, 2008)）、糖尿病 (Alipio et al., 2010) 和脊髓損傷 (Tsuji et al., 2010)的嚙齒動物模型的功能恢復(fù)。使用 iPSCs 的第一個臨床試驗將于 2014 年在日本開始，用于患有年齡相關(guān)性黃斑變性的患者，這種疾病影響到全世界至少 2500-3000 萬人（WHO，2012）。
iPSC 的另一個同樣重要的醫(yī)學(xué)應(yīng)用是藥物開發(fā)。已證明源自患者的 iPSC 在提供疾病模型方面是有效的，這些模型可用于更好地了解各種疾病機制并篩選化學(xué)物質(zhì)和天然衍生物以開發(fā)有效的藥物（Inoue 等，2014）。令我們驚訝的是，疾病表型已通過患者衍生的 iPSC 進(jìn)行了概括，這些 iPSC 不僅來自早發(fā)單基因疾病，還來自多基因晚發(fā)疾病，例如散發(fā)性阿爾茨海默?。↘ondo 等，2013）。此外，人類體細(xì)胞，如心肌細(xì)胞和肝細(xì)胞，可用于預(yù)測候選藥物的毒性（Guo 等人，2011；Medine 等人，2013）。因此，iPSC 技術(shù)有望在未來幾年徹底改變藥物發(fā)現(xiàn)的過程。
最近，視網(wǎng)膜 (Eiraku et al., 2011) 和垂體 (Suga et al., 2011) 以及大腦的各個方面 (Lancaster et al., 2013) 的三維結(jié)構(gòu)在體外由小鼠胚胎干細(xì)胞自組織。此外，通過移植人 iPS 細(xì)胞衍生的肝細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞的混合物，在小鼠中產(chǎn)生了血管化的人肝臟（Takebe 等人，2013 年）。這些新策略進(jìn)一步拓寬了 iPSCs 細(xì)胞在新興和快速發(fā)展的再生醫(yī)學(xué)、疾病建模和藥物開發(fā)領(lǐng)域的潛在適用性。
結(jié)論：關(guān)于打破規(guī)則
在生物學(xué)中，特別是在進(jìn)化中，規(guī)則是用來打破的。大多數(shù)（如果不是全部的話）進(jìn)化的進(jìn)步都源于對預(yù)先存在的規(guī)則的打破。例如，從單細(xì)胞到多細(xì)胞、從固著到運動、從水生到陸生動物的進(jìn)化，需要打破既定的規(guī)范，以出現(xiàn)新的生命形式和生活方式。違反規(guī)則的生物將生活擴(kuò)展到最初看起來不適合居住的新領(lǐng)域。反過來，這些生物本身將進(jìn)化出一批新的破壞者，這些破壞者將繼續(xù)將生命的范圍擴(kuò)大到以前無人居住的領(lǐng)域。如果違反規(guī)則和生命的延續(xù)一樣重要，那么自然必須有大量的破壞規(guī)則的人。對于生命的延續(xù)來說，就像簡單地遵循它們一樣重要，自然中一定有很多打破規(guī)則的人。因此，不難想象，我們希望從中提取出控制復(fù)雜生物現(xiàn)象的規(guī)則和原則，但我們所選擇進(jìn)行深入研究的數(shù)量很少且?guī)缀蹼S意的物種，可能會把我們對生物學(xué)的理解限制在一組相對狹窄的屬性中。
在過去15年里，對干細(xì)胞及其潛能的研究對我們理解生物學(xué)，特別是發(fā)育產(chǎn)生了重要的影響，迫使我們重新思考細(xì)胞和組織的分化意味著什么。這一努力不僅帶來了對發(fā)育生物學(xué)關(guān)鍵原理的新研究，如胚胎發(fā)生和成人生理功能期間的基因組和表觀基因組輸出的調(diào)節(jié)，而且還為旨在解決廣泛的人類疾病的治療策略的發(fā)展提供了新的范式。越來越清楚的是，終末分化的概念雖然在概念上有用，但在生物學(xué)上并不準(zhǔn)確。被接受的分化規(guī)則每天都在被自然界打破，很有可能更多這樣的規(guī)則可能只是建議，而干性、決定、生物時間和時間順序（stemness, determination, and biological and chronological time）等概念最終將被重新審查和重新定義。
例如，穩(wěn)定而非終末分化的概念應(yīng)該讓我們重新審查當(dāng)前旨在分化人類多能干細(xì)胞的策略。盡管近年來從人類多能干細(xì)胞中生成功能完整的成熟細(xì)胞類型取得了顯著進(jìn)展，但這一過程仍然是一個重大挑戰(zhàn)。細(xì)胞的分化狀態(tài)可能不是終末的，而是穩(wěn)定的，這一想法強調(diào)了識別維持穩(wěn)定分化細(xì)胞狀態(tài)的環(huán)境因素的重要性，這是一個尚未被廣泛探索的方面，可能提供從人類多能干細(xì)胞生產(chǎn)完全功能成熟細(xì)胞類型的新解決方案。我們相信，在未來的歲月里，會有更多的概念教條受到挑戰(zhàn)，我們對生命的認(rèn)識以及由此產(chǎn)生的對復(fù)雜生物系統(tǒng)的理解的進(jìn)步，會看到更多的規(guī)則被實驗事實打破。這可能會受到干細(xì)胞、基因調(diào)控、組織穩(wěn)態(tài)和壽命等研究新范式的發(fā)現(xiàn)的推動。我們預(yù)測，40年后，生物學(xué)可能會成為一個與今天相比幾乎無法辨別的領(lǐng)域。
