第十一章 干細(xì)胞分化

第十一章干細(xì)胞分化干細(xì)胞分化在多細(xì)胞生物體的每一個(gè)體細(xì)胞中，遺傳物質(zhì)的組成是相同的。然而，在不同類型的細(xì)胞中，其基因的表達(dá)模式并不完全相同。在某一特定類型細(xì)胞中，某些基因處于活躍表達(dá)狀態(tài)，而另一些基因處于沉默狀態(tài);在另一種不同類型的細(xì)胞中，基因表達(dá)的種類、數(shù)量及程度與前一種類型的細(xì)胞可能存在極大的差異。在多細(xì)胞生物體通過細(xì)胞增殖使細(xì)胞數(shù)目不斷增多的過程中，伴隨著細(xì)胞的分化，即產(chǎn)生多種類型的細(xì)胞。細(xì)胞分化是不同細(xì)胞中基因表達(dá)模式不同的結(jié)果。干細(xì)胞分化胚胎干細(xì)胞的分化成體干細(xì)胞的分化（1）造血干細(xì)胞的分化（2）神經(jīng)干細(xì)胞的分化（3）肌肉干細(xì)胞的分化胚胎干細(xì)胞的分化高等哺乳動(dòng)物個(gè)體是由一枚受精卵發(fā)育而來的。早期胚胎(4-細(xì)胞及以前的胚胎)中的每一個(gè)卵裂球都具有發(fā)育的全能性(totipotent)，即一個(gè)卵裂球就具有發(fā)育為一個(gè)完整個(gè)體的能力。隨著發(fā)育的進(jìn)行，胚胎中的細(xì)胞數(shù)目不斷增多，細(xì)胞的多潛能性也在逐漸喪失。胚胎干細(xì)胞的分化當(dāng)胚胎發(fā)育到囊胚(blastula)階段，其中的細(xì)胞已分為兩大類，位于外圍的細(xì)胞被稱為滋養(yǎng)層細(xì)胞(trophoblast)，這部分細(xì)胞將發(fā)育為胎盤；位于滋養(yǎng)層內(nèi)部的細(xì)胞團(tuán)被稱為內(nèi)細(xì)胞團(tuán)(innercellmass，ICM)，這部分細(xì)胞將發(fā)育為胎兒。胚胎干細(xì)胞的分化細(xì)胞發(fā)育潛能的逐漸喪失可以形象地比喻為一個(gè)小球沿著山坡向下滾動(dòng)，小球所具有的勢(shì)能看做是細(xì)胞的發(fā)育潛能，被標(biāo)注在圖的左側(cè)；這一期間細(xì)胞中的表現(xiàn)遺傳修飾狀態(tài)標(biāo)注在圖的右側(cè)。胚胎干細(xì)胞的分化維持ES細(xì)胞多潛能性的表現(xiàn)遺傳修飾所謂的ES細(xì)胞，是指ICM經(jīng)體外培養(yǎng)后，所形成的具有自我更新及多分化潛能(pluripotent)的細(xì)胞。ES細(xì)胞主要通過多種類型的表現(xiàn)遺傳修飾維持其多潛能性，這些表觀遺傳修飾類型包括DNA甲基化、組蛋白修飾、組蛋白變體、ATP依賴的染色質(zhì)重塑以及RNA干擾(RNAinterference，RNAi)等。胚胎干細(xì)胞的分化ES細(xì)胞與已分化的體細(xì)胞在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)方面存在極大的差異，這種結(jié)構(gòu)的差異化正是不觀遺傳修飾的結(jié)果。（1）在ES細(xì)胞的基因組中，常染色質(zhì)(euchromatin)的區(qū)域大于體細(xì)胞中的常染色質(zhì)域。（2）與體細(xì)胞的染色質(zhì)相比，ES細(xì)胞的染色質(zhì)呈現(xiàn)出一種更為松散的狀態(tài)。這種松散的態(tài)意味著DNA與組蛋白八聚體的結(jié)合并不是非常僵硬、死板，也就是染色質(zhì)呈現(xiàn)為一種超動(dòng)態(tài)(hyperdynamic)的結(jié)構(gòu)。超動(dòng)態(tài)染色質(zhì)(hyperdynamicchromatin)被認(rèn)為是ES細(xì)胞基因組具有可塑性的原因。胚胎干細(xì)胞的分化（3）ES細(xì)胞基因組中具有較多的組蛋白乙酷化修飾及組蛋白H3賴氨酸4甲基化修飾(H3K4me);具有較少的組蛋白H3賴氨酸9三甲基化修飾(H3K9me3)。對(duì)于ES細(xì)胞抑制發(fā)育、分化相關(guān)基因表達(dá)的問題有至少兩種觀點(diǎn)。第一種觀點(diǎn)認(rèn)為，ES細(xì)胞采用26S蛋白酶體(proteasome)移除發(fā)育、分化相關(guān)基因啟動(dòng)子上的PIC(例如RNA聚合酶E及基因特異性的轉(zhuǎn)錄因子等)，從而阻止這些基因的表達(dá)。另一種觀點(diǎn)就是染色質(zhì)雙向(bivalent)區(qū)域機(jī)制。胚胎干細(xì)胞的分化（4）在ES細(xì)胞的基因組中，重要的發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的啟動(dòng)子區(qū)域既富含有組蛋白H3賴氨酸27甲基化修飾(H3K27me)，又富含有H3K4me修飾。ES細(xì)胞可以采用染色質(zhì)的雙向區(qū)域調(diào)控發(fā)育、分化相關(guān)基因的表達(dá)。在ES細(xì)胞中，染色質(zhì)的雙向區(qū)域可以使發(fā)育、分化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因的表達(dá)維持在一個(gè)較低的水平，但允許這些基因預(yù)期的活躍表達(dá)。染色質(zhì)雙向區(qū)域就像一個(gè)雙向開關(guān)一樣，可以靈活、有效地調(diào)控基因的表達(dá)和沉默。雖然染色質(zhì)雙向區(qū)域理論是一個(gè)被人們廣泛認(rèn)同的、有關(guān)m細(xì)胞調(diào)控基因表達(dá)模式的理論，但某些基因的啟動(dòng)子區(qū)域不具有雙向區(qū)域。胚胎干細(xì)胞的分化（5）盡管ES細(xì)胞中可以高水平地表達(dá)DNA從頭甲基轉(zhuǎn)移酶(denovoDNAmethyltransferase的，但ES細(xì)胞基因組范圍內(nèi)的DNA甲基化水平低于體細(xì)胞基因組范圍內(nèi)的DNA甲基化水平。ES細(xì)胞與體細(xì)胞在DNA甲基化修飾方面還存在另一個(gè)差異，即前者會(huì)對(duì)非CpG二核昔酸的某些胞嘈院進(jìn)行甲基化修飾。胚胎干細(xì)胞的分化胚胎干細(xì)胞的分化細(xì)胞分化過程中的表觀遺傳修飾機(jī)理人們可觀察到的ES細(xì)胞分化事件包括多潛能性的降低甚至喪失以及三個(gè)原始生殖層(primordialgermlayer)的形成。但在這些可觀察到的事件發(fā)生之前，ES細(xì)胞中一定發(fā)生了大量基因表達(dá)改變的事件。其原因在于：一方面這些事件持續(xù)的時(shí)間太為短暫，采用我們目前的技術(shù)還無法檢測(cè)；另一方面當(dāng)這些早期事件發(fā)生時(shí)，ES細(xì)胞在形態(tài)及特征方面還未發(fā)生改變，人們無法知道哪些ES細(xì)胞發(fā)生了分化，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行研究；胚胎干細(xì)胞的分化第三，在體外進(jìn)行的研究中，ES細(xì)胞的分化似乎帶著一定的隨機(jī)性，這可能是由于ICM來源的ES細(xì)胞具有一定的異質(zhì)性，抑或環(huán)境因素的影響使不同ES細(xì)胞受到的刺激信號(hào)不同，從而使ES細(xì)胞的分化表現(xiàn)為一定程度的隨機(jī)性。胚胎干細(xì)胞的分化在ES細(xì)胞的分化過程中，開放的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸被替換為更為約束的結(jié)構(gòu)。這種更為約束的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)限定了基因組中可表達(dá)的基因種類。人們認(rèn)為組蛋白H3的磷酸甜修飾使ES細(xì)胞中開放的染色質(zhì)結(jié)持轉(zhuǎn)變?yōu)榧s束的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，并為其他的表觀遺傳修飾鋪平道路。在接下來的分化過程中，染色質(zhì)雙向區(qū)域的組蛋白進(jìn)一步發(fā)生修飾變化，需要沉默的基因，其基因表達(dá)調(diào)控區(qū)的雙向區(qū)域丟失H3K4me修飾，保留甚至擴(kuò)大H3K27me的修飾范圍，進(jìn)一步增加異染色質(zhì)特異的表觀遺傳修飾模式。成體干細(xì)胞分化成體干細(xì)胞是指存在于一種已經(jīng)分化組織中的未分化細(xì)胞，這種細(xì)胞能夠自我更新并且能夠特化形成組成該類型組織的細(xì)胞。成體干細(xì)胞自我更新和分化能力的維持也是依靠其基因組中各種類型的表觀遺傳修飾。在成體干細(xì)胞向特定類型細(xì)胞分化的過程中，也伴隨著大量的表現(xiàn)遺傳變化。造血干細(xì)胞(hematopoieticstemcells，HSCs)分化神經(jīng)干細(xì)胞(neuralstemcells，NSCs)分化肌肉干細(xì)胞分化造血干細(xì)胞分化人們用等級(jí)造血系統(tǒng)(hierarchicalhematopoieticsystem)定義造血干細(xì)胞在分化過程中所形成的中間類型細(xì)胞及終末分化細(xì)胞之間的關(guān)系，即造血系統(tǒng)中不同類型細(xì)胞具有等級(jí)性，下一級(jí)細(xì)胞由上一級(jí)細(xì)胞分化而來。在等級(jí)造血系統(tǒng)中，上一級(jí)細(xì)比下一級(jí)細(xì)胞具有更為廣泛的分化潛能。造血干細(xì)胞分化長(zhǎng)期/短期造血干細(xì)胞(long/hematopoieticstemcells，LT-HSCs/ST-HSCs)CLP及CMP為兩大細(xì)胞分支。前B細(xì)胞(Pro-Bcell)、前T細(xì)胞(Pro-Tcell)自然殺傷細(xì)胞前體細(xì)胞(naturalkillerprecursor，NKP），雙潛能的粒細(xì)胞-巨嗜細(xì)胞前體細(xì)胞(bipotentgranulocyte-macrophage，GMP)雙潛能的巨核細(xì)胞-紅細(xì)胞前體細(xì)胞(bipotentmegakaryocyte-erythrocyteMEP);造血干細(xì)胞分化小鼠自身的巨嗜細(xì)胞集落剌激因體(thereceptorforthemacrophagecolony-stimulatingfactor，c-fms)基因在造血干細(xì)胞中已經(jīng)表達(dá)。在造血干細(xì)胞向不同類型終末細(xì)胞分化的過程中，該基因的表達(dá)模式也不相同。在造血干細(xì)胞向巨噬細(xì)胞分化的過程中，該基因的表達(dá)會(huì)上調(diào);在LPS剌激的細(xì)胞中，該基因的表達(dá)會(huì)下調(diào)；而在所有的非巨噬細(xì)胞中，該基因會(huì)沉默。然而在未成熟的B淋巴細(xì)胞中，該基因并未完全沉默，直到成熟的B細(xì)胞階段，該基因的表達(dá)才完全停止下來，隨后該基因的DNA才發(fā)生全新的甲基化。在造血干細(xì)胞向T細(xì)胞分化的過程中，c-fms基因較早地停止了表達(dá)，且該基因的DNA也較早地發(fā)生了甲基化。造血干細(xì)胞分化造血干細(xì)胞分化在造血干細(xì)胞向B細(xì)胞及T細(xì)胞分化的過程中，c-fms基因沉默的時(shí)間及其發(fā)生DNA甲基化的時(shí)間不同。發(fā)生這種差異的原因可能在于:結(jié)合于c-fms基因啟動(dòng)子及增強(qiáng)子上的轉(zhuǎn)錄因子（如PU.1）在巨噬細(xì)胞及B細(xì)胞中依舊能夠表達(dá)，這些轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合阻礙了c-fms基因的啟動(dòng)子及增強(qiáng)子發(fā)生DNA甲基化，從而使該基因仍舊能夠表達(dá);而在T細(xì)胞中，相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子已經(jīng)停止表達(dá)，c-fms基因的啟動(dòng)子及增強(qiáng)子隨即發(fā)生了DNA甲基化，從而使該基因完全沉默。造血干細(xì)胞分化近年來的研究表明，造血干細(xì)胞在向不同細(xì)胞系分化的過程中，仍然具有一定的可塑性，即分化過程中所形成的表現(xiàn)遺傳修飾模式可以發(fā)生改變，從而使分化過程中形成的一些中間類型細(xì)胞具有轉(zhuǎn)分化(trans-differentiation)的能力。因此，采用等級(jí)造血系統(tǒng)這一概念來描述造血系統(tǒng)巾各種細(xì)胞類型之間的關(guān)系是不確切的。轉(zhuǎn)分化不僅僅是造血干細(xì)胞分化過程中的一種現(xiàn)象，在胚胎干細(xì)胞及其他成體于細(xì)胞的分化過程中也