2014年发表在CELL上的综述文章：重新思考分化：干细胞、再生和可塑性
Rethinking Differentiation: Stem Cells, Regeneration, and Plasticity | Cell

上部分翻译如下：

摘要

细胞分化是所有多细胞生物的发育、生长、繁殖和寿命的重要过程，其调控一直是过去四十年深入研究的焦点。对天然干细胞和诱导干细胞的研究开启了一个重新审视干细胞或分化细胞意味着什么的时代。过去和最近在植物和动物中的发现，以及新的实验操作，开始动摇一些已确立的概念，并迫使重新评估目前用于探索这些和其他生物过程的实验系统和范式。

“忒修斯和雅典青年返回的船有三十把桨，雅典人一直保存到德米特里厄斯·费雷勒斯时代，因为他们在旧木板腐烂时拿走了旧木板，放进了新的、更结实的木材来代替，因此这艘船在哲学家中成为了生长事物的逻辑问题的典型；一方认为船还是原来的，另一方则认为船不一样。”-普鲁塔克，75 C.E。

引言

细胞分化状态的稳定性对于迄今为止研究的所有多细胞生物的生长、存活和延续都至关重要。例如，从高度调节的胚胎后组织中产生用于生长、修复、繁殖和防御的新细胞是植物和动物界多细胞生命的基本属性。如何解析这种产生新细胞的能力在很大程度上取决于每个物种的进化史。在有丝分裂后的生物体中，如秀丽隐杆线虫，这意味着成年动物必须在其成年后与它们出生时具有固定数量的分化细胞一起生活。其他生物如黑腹果蝇也经历了类似的命运，只是它们拥有的组织如中肠在整个成年期通过常驻细胞增殖而更新（Ohlstein 和 Spradling，2007 年）。这种有丝分裂后和不断更新的组织的混合物很容易用我们对自己生物学的了解来说明。我们大脑的额叶等组织在成年后不太可能以任何明显的速度更新（Spalding et al., 2005），而我们的肠道内壁——相当于一个网球场大小的表面积（ Heath，2010 年）——大约每 3-5 天更新一次（Pinto 和 Clevers，2005 年；Pinto 等人，2003 年）。因此，对于大多数已知的多细胞生物来说，它们相对恒定的外观被一种持续不断的内在转变所强调，在这种转变中，由于正常生理磨损（更替）而丧失的细胞被分裂细胞的后代所取代（Pellettieri 和 Sa´nchez Alvarado , 2007)。换句话说，生物系统具有由细胞死亡和细胞增殖之间的平衡驱动的关键机制，从而保持成熟组织的形式和功能。因此，正如忒修斯之船的悖论（普鲁塔克，1859 年），正是通过不断的变化，大多数生物体的外观保持不变。

自从Hooke在 1665 年首次观察到细胞，以及在 1800 年代早期 Treviranus (Treviranus, 1811)、Moldenhawer (Moldenhawer, 1812) 和 Dutrochet (Dutrochet, 1824) 发现细胞是可分离的单位，提供了组织的基本要素。对植物和动物来说，它们的命运、功能和行为一直吸引着大众和生物学家。生物学中的许多研究都关注于了解细胞类型在胚胎发育过程中是如何形成的，以及它们的功能和身份是如何在整个生命中保持的。事实上，很容易认为，几个世纪以来，生物学中的大量工作都集中在了解细胞的分化潜能上，从 Hartsoeker 的 homunculus (Hartsoeker, 1694) 到现在的干细胞研究 (Dejosez et al., 2013 年；Suga 等人，2011 年）和再生（King 和 Newmark，2012 年；Sa' nchez Alvarado 和 Tsonis，2006 年）。生物学家为理解生命所做的长期集体努力（图 1）产生了关键的有影响力的概念：例如潜能、谱系、能力、命运和分化（ potency, lineage, competence, fate, and differentiation）。虽然这些概念对我们很有帮助，但有明确的证据表明，许多概念正在被动摇，而另一些概念开始看起来更像是建议，而不是要遵循的严格规则。这种对现有体系的挑战是由一种谨慎但仍然坚持不懈的努力带来的，即扩大现代生物学对新的实验系统和范式的探索，以及对强大方法学领域的大规模接受，这些方法论将我们的研究精度和复杂度提高到前所未有的程度。因此，我们目前对体内和体外细胞潜能的询问导致了对解释系统的重新评估，该系统构建了我们对发育过程的理解。在这里，我们讨论研究不足的模型系统和新技术，如诱导多能干细胞(iPSCs)如何迫使我们质疑长期确立的概念(图1)，并提出这些努力可能最终有助于引导一个不受之前熟悉程度限制的生物发现时代。

组织稳态、寿命和干细胞

虽然发育通常与胚胎发生有关，但这一生物学过程并不是在出生时就结束了，而是持续到动植物的整个自然生命周期。对于许多生物体来说，这可能是一段非常长的时间，在此期间细胞持续更新和生长数十年，有时甚至数百年。事实上，许多器官在正常生理条件下的功能依赖于其细胞的持续破坏和更新。因此，了解细胞增殖和组织更新的平衡机制，以产生构成体生长和构成体再生，可以为成人的发育过程提供关键的见解。考虑到南美开花植物Azorella comacta(图2A)，它每年增加大约1.5厘米的径向生长(Kleier和Rundel，2004)。根据这种增长速度，人们估计，在阿塔卡马沙漠中发现的许多标本可能超过了3000年的历史，这使得A.comacta成为地球上最古老的生物之一。或者从动物界来看，考虑一下在殖民地海鞘动物Botryllus schlosseri中很容易发现的相当极端的组织动态平衡形式，Botryllus schlosseri是脊椎动物的近亲(图2B)。众所周知，作为其生长和繁殖周期的一部分，这种脊索每隔7天左右进行一次全身再生(Lauzon等人，1992,2002；Rinkevich等人，1992)。其他例子也存在，例如淡水浮游生物Schmidta Mediterranea(图2C)，众所周知，它不断地并且似乎永久地用增殖细胞的后代取代因生理磨损而失去的细胞，使这些生物的衰老可以几乎忽略不计(Pellettieri和Sa‘nchez Alvarado，2007)。

因为在植物界和动物界都发现了对生长和体内平衡的出生后调节，所以很可能支持这一属性的选择单位——即干细胞，以及调节这些细胞永久存在的过程可能与多细胞的起源一样古老。尽管我们对开花植物中干细胞的位置和数量有非常清楚的了解（Birnbaum 和 Sa´ nchez Alvarado，2008 年），但在动物干细胞方面仍有许多问题需要解决。在植物中，干细胞存在于顶端和根分生组织中，它们的细胞分裂、决定、分化和模式在胚胎发生过程中以及在时间和空间上的成熟植物中都得到了很好的定义和表征（Brand 等人，2000；Gordon 等人）等人，2009；Reddy 等人，2004；Reddy 和 Meyerowitz，2005；Sugimoto 等人，2011）。动物的情况则完全不同。例如，在肉霉属的情况下，虽然对全身再生最简洁的解释是干细胞的存在，但它们的确切解剖位置仍然存在争议，并且新生的可能性（例如，从其他分化细胞产生干细胞）仍然存在一种正式的可能性（Laird 等人，2005；Laird 和 Weissman，2004；Rinkevich 等人，2013；Voskoboynik 等人，2007、2008）。在涡虫中，干细胞（新生细胞）的解剖位置早已为人所知（Elliott 和 Sa´nchez Alvarado，2013），尽管有证据表明这些细胞中至少有一些是多能的（Wagner 等人， 2011），仍有待确定在新生细胞群体中是否存在干细胞的离散异质性，以及这种异质性是否被定义或可塑性。因此，该领域存在的问题是涡虫干细胞中命运决定基因表达的广泛异质性的重要性（Chen 等人，2013；Lapan 和 Red dien，2012；Scimone 等人，2011、2014），这目前被解释为反映了共存但未分化的细胞群（Reddien，2011，2013）。

尽管人们认为我们对这些无脊椎动物物种的干细胞生物学的了解是不完整的，因为可用于机械地询问它们的工具有限，但不一定期望在经过更好研究的动物（例如小鼠）中存在类似的事态。哺乳动物干细胞的生物学通常是根据对基于其表面标志物表达而分离的细胞的研究来推断的，而不是通过在体内研究它们。然而，众所周知，从其原生环境中去除细胞会导致它们的行为发生变化，并且用于分离它们的标记在其表达中可能是短暂的和异质的，以至于多能干细胞身份可以是一个非常动态的点状态（MacArthur和Lemischka，2013）。这些因素基本上对我们不利，并阻止我们清楚地了解哺乳动物组织中存在的自我更新干细胞的实际数量或控制它们更新的动态。

以哺乳动物小肠为例。多年来，该器官隐窝中干细胞的位置和类型一直备受争议。一些人将干细胞放置在隐窝的特定位置（例如，+4 位置）（Barker 等人，2007；Clevers 和 Bevins，2013），而另一些人则认为在其他地方存在静止或标记保留（ label-retaining）的干细胞位置作为该器官中的干细胞 (Tian et al., 2011; Yan et al., 2012)。基因研究已经开始解决这些差异。我们现在知道，从分离的细胞中鉴定并在不同但重叠的细胞群（如 mTERT、Lgr5 或 Hopx）中表达的一些标记可能代表候选干细胞群，因为它们都可以产生长寿的克隆后代（Barker等人，2007年；Montgomery等人，2011年；Takeda等人，2011年）。我们现在也知道，肠道中非自我更新的分泌前体细胞是标记保留细胞，只有在促进生长的条件下才能改变其终末分化的命运，成为干细胞。这些分化的分泌前体产生 Paneth 和肠内分泌细胞，虽然表达干细胞标志物，但它们在稳态条件下是静止的 (Buczacki et al., 2013)。此外，每个功能性肠隐窝的干细胞数量非常少（5-7；[Kozar et al., 2013]），这引发了这样一个问题：如此微小的等同克隆细胞如何能够产生表达不同标记(例如mTERT、Lgr5、Hopx)、具有不同重叠程度的不同数量的细胞(Mun˜oz等人，2012年)以及相互转化的能力(Takeda等人，2011年)。
鉴于了解给定组织中可能实际存在多少干细胞以及在生长、组织稳态和再生过程中如何调节它们的种群动态的重要性，显然需要做很多工作来探索干细胞在体内的基本性质。如果成体组织中细胞的正常命运是可塑性的，并且环境变化（例如生长促进条件）可以将它们的发育从终末分化程序转变为活跃的克隆形成程序，那么我们需要投入更多的精力来研究干性是如何产生的，而不仅仅是因为细胞自治属性，而是要将其作为一种从细胞群的行为中出现的特性。虽然培养中的干细胞可能有助于识别与干细胞功能相关的分子，但了解干细胞的性质将需要在体内进行精确的谱系和命运图谱研究，我们预测，这将伴随着在当前研究和尚未询问的生物中积极探索和鉴定新的干细胞功能范例。