干细胞的不对称分裂、对称分裂与肿瘤

段 丹

四川大学生命科学院，四川 成都 610064

干细胞，是分化程度较低，仍具分化成不同类型细胞的潜能，且可自我更新的一类细胞。它既可“自我更新”，产生更多的干细胞维持自身分化发育潜能，又可产生分化细胞。其完成这两项任务的一种方式是不对称分裂，即每个干细胞分裂产生一个有干细胞特性的子细胞（自我更新）和一个分化的子细胞。这种分裂方式在其它类型细胞中很罕见，它使细胞一次分裂便可完成两个任务，效率高且可维持干细胞数目稳定。而干细胞的数量在发育过程中和受损后再生过程中会显著增加，因此干细胞的增殖方式不仅包括不对称分裂，还有对称分裂。

对称分裂是产生具有同样命运子细胞的分裂方式。当一群干细胞被作为一个群体看待时，具有同样发育潜能的干细胞可能在一些分裂过程中只产生具有干性的子细胞，而在另一些分裂过程中则只产生分化细胞。总的来说，干细胞可完全依赖于对称分裂或依赖于对称分裂和不对称分裂的组合。在模式生物Caenorhabditis elegans，Drosophila和脊椎动物的研究中，干细胞的这两种分裂方式均有充足的证据。

在本篇综述中，我们将探究多数干细胞对称或不对称的分裂模式及这两种模式之间如何受发育阶段和环境中信号调控达到平衡以产生适当数量的干细胞和分化的子细胞。在此，我们根据细胞分裂产生子细胞命运的不同将其分为对称分裂和不对称分裂。尽管已有的数据并不完全，它们仍可表明绝大多数干细胞具有在对称分裂和不对称分裂之间转换的能力，而疾病状态下这两种分裂模式间转换的平衡是缺陷的。

1 干细胞和不对称分裂

不对称细胞分裂在干细胞调控过程中发挥重要作用。目前研究表明不同物种，不同组织间的干细胞不对称分裂机制不尽相同甚至完全不同，但可能有一些共同的调控过程，概括起来主要有如下几种。

1）细胞分裂时细胞命运决定因子不对称分布于子细胞中。典型例子是Drosophila成神经细胞的不对称分裂。在Drosophila成神经细胞中，一个进化中保守的细胞命运决定因子Numb不对称分布于将要分化的子细胞中。Numb是Notch信号通路的抑制因子，其不对称分布导致细胞命运的不同[2]。

2）细胞极性因子不对称分布或受外源信号调控导致中心粒和纺锤体的不对称分布。Par-3，Par-6和aPKC这3种蛋白在胞内的不对称分布决定了细胞极性轴的取向，进而引发其它命运决定蛋白和纺锤体的极性分布[3]。此外，Yamashita等报道在Drosophila雄性生殖干细胞分裂过程中，在干细胞巢提供的信号的作用下，母细胞的中心粒留在靠近细胞巢一侧，而子中心粒移入细胞另一侧，产生的两个子细胞命运也不同[4]。

3）干细胞巢通过信号传导和直接与干细胞相互作用调控其分裂面和胞内信号不均分布导致干细胞的不对称分裂。干细胞巢是维持干细胞状态的“微环境”。Drosophila生殖干细胞可重复地定向分裂产生一个留在干细胞巢中的保留干细胞特征的子细胞和一个被排出干细胞巢并开始分化的子细胞。卵巢中，组成干细胞巢的帽细胞合成配体Decapentaplegic（DPP）和Glass bottom boat（GBB），他们可激活生殖干细胞中的骨形态发生蛋白（BMP）信号传导，因此抑制编码促进分化的蛋白的bag-of-marbles基因。干细胞巢和生殖干细胞接触部位的特定连接将干细胞锚定于其上。更重要的是，这些定向不对称分裂的干细胞控制子细胞的定位，进而控制它们与外界信号的接触从而调控干细胞特性。

4）不朽DNA链在子细胞和母细胞中的不对称分配。Shinin等在成体肌肉干细胞肌卫星细胞中已观察到母细胞的DNA链倾向于共同进入某一子细胞，这从一定程度上暗示维持干细胞特性的子细胞保留母链DNA，以避免可能发生的复制错误和突变。该现象在体外培养中同样存在，说明其独立于体内的干细胞巢[5]。

5）染色体的表观遗传修饰，折叠形成二级结构等。一些染色质结合因子，如可激活或抑制组蛋白修饰的因子，可影响参与自我更新过程的DNA结合蛋白的表达和作用，进而影响该DNA的表达和活性，使表观修饰不同的子细胞具有不同的表达和命运，参与不同的生理活动[6]。

现已证实，虽然有相当的保守性，不对称分裂机制在不同的物种和不同的组织中具有特异性。有的组织的不对称分裂一种因素占主导，如C. elegans受精卵的不对称分裂主要需要PAR-3，PAR-6和位于表层的非典型蛋白激酶C（PAR-aPKC）复合物的不对称定位，而不对称分布的PAR蛋白反过来也控制纺锤体定位和胞质细胞命运决定因子的不对称分离[7]。有些则是综合作用的结果，胞外信号影响胞内决定因子的分布，而胞内因子的不对称分布也影响对胞外信号的应答，如Numb改变了继承它的子细胞对Notch信号的应答。

2 对称分裂可扩增干细胞数量

在无脊椎动物和脊椎动物的发育过程中均能观察到干细胞的对称分裂，且对称分裂在创伤修复和再生中也十分常见。干细胞以对称分裂方式增殖以干细胞数目的增加为标志。

在C. elegans的生殖系中，线虫孵化出来时仅有两个生殖干细胞，但在以后的幼虫发育阶段，它们却繁殖出成体性腺中约2000个子细胞，包括一池未分化的性细胞和一池分化的配子细胞。一些证据表明C. elegans生殖细胞在幼虫发育阶段对称分裂。首先，分裂产生的子细胞具有相同的大小和形态，且分裂面和子细胞的位置也不固定。第二，一个或多个生殖细胞可通过激光消融被移除而不影响干细胞自我更新和产生配子的能力。第三，实验上在早期发育阶段，即当所有生殖细胞均在增殖的时候，对干细胞巢的重新定位使只要接近它的生殖细胞均能维持干性。最后，干细胞巢的复制导致干细胞池的翻倍。因此，在生殖细胞系的增殖阶段，C. elegans生殖细胞产生具有相同发育潜能，却由于位置和干细胞巢数目的不同最终具有不同分化命运的子细胞[1]。在Drosophila幼虫发育过程中，最近也观察到了类似的生殖细胞对称分裂的现象。

哺乳动物干细胞在胚胎或早期幼体发育阶段似乎也大量经历对称分裂以扩增干细胞数量。例如，小鼠造血干细胞在妊娠中期每天都将数量翻倍，表明这些干细胞中的大部分都须经历对称的自我更新分裂。但是，目前对这些干细胞分裂的直接观测尚未实现。类似的，幼体表皮的细胞分裂也似乎大多数是等分，在干细胞存在的基底层产生形态相同的未分化细胞。但是，形态位置相同，均存在于干细胞部位的子细胞仍有可能具不同的分化潜能。因此，在没有直接证据表明发育潜能和细胞命运的时候，对等分裂和不等分裂的推断都是基于一个不完整的标准的，只是暂时适用的。

3 等分裂可持续到成体

等分裂的干细胞在发育中的组织中很常见，但在成体中也常观测到，如成体Drosophila的卵巢。Drosophila成体生殖干细胞一般不对称分裂，但雌性生殖干细胞在实验操作手段下可被诱导进行对称分裂并再生出额外的干细胞，其中之一被移出干细胞巢。因此，Drosophila成体生殖干细胞可在不对称分裂和对称分裂之间转换。

最近的实验进一步表明Drosophila生殖干细胞的子细胞尽管具有不同的细胞形态，但仍具有相同的发育潜力。在卵巢中，生殖干细胞可通过热击启动子诱导促进分化的活化因子bag-ofmarbles表达，同时卵巢体细胞中DPP配体异位表达，而丢失干细胞形态并获得了具分化命运的子细胞的细胞特征。当调节因子活性被抑制，正在分化的细胞又可重获干细胞形态和干细胞的发育潜能[8]。

可能的解释是Drosophila生殖干细胞通过不等分裂产生具相同分化潜能但位于具有不同信号途径的干细胞巢的位置。这些相同的子细胞根据某些信号通路的存在或缺失而获取不同的标记。这一观点可被更直接地验证，如调换两个子细胞在巢中的位置观察它们的命运是否调换或通过激光消融技术移除一个干细胞来观察另一个正在分化的子细胞是否可以进入干细胞巢并获取干细胞命运。但是这些物理操作在目前的系统下仍有相当的难度[1]。

4 干细胞分裂和肿瘤

干细胞对称分裂的自我更新能力可维持发育的可塑性，增加生长能力和修复能力，却也可能造成内在的肿瘤形成风险。一般情况下，Drosophila的成神经细胞受表层极性因子的不对称分布（如PINS和aPKC），细胞命运决定因子（如Numb和Prospero）的不对称分布以及有丝分裂纺锤体的分布而进行不对称分裂。但当调节不对称分裂的机制受到干扰，这些成神经细胞便开始对称分裂并形成肿瘤。

缺少PINS的细胞克隆具成瘤性，且缺少PINS和LGL的双突变细胞能产生主要由对称分裂和自我更新的成神经细胞组成的大脑。缺少细胞命运决定因子Numb或Prospero的细胞克隆具成瘤性并可在移植到新宿主后繁殖。此外，这些肿瘤细胞在进行对称分裂40天后即具有染色体非整倍性。一个较具说服力的解释是对称分裂的能力可能是成瘤转变的前提条件且肿瘤至少部分反映出对称分裂的能力。

促进不等细胞分裂的机制在肿瘤抑制过程中扮演着进化上保守的角色。基因APC为Drosophila精原干细胞的不对称分裂所必需且也是哺乳动物小肠上皮细胞的一个重要的肿瘤抑制因子。Numb基因的缺失可能导致乳腺癌中Notch信号通路的过度兴奋。尽管这些基因的产物可以通过多种途径抑制肿瘤发生，有些独立于它们对细胞极性的作用，但它们作为肿瘤抑制因子暗示了不对称分裂本身可以抑癌。

对称分裂和肿瘤之间的关系被哺乳动物细胞中一些基因既能诱导对称分裂也能作为原癌基因的现象进一步证明。一个例子是aPKC，一个非典型的蛋白激酶，正常情况下作为PAR-aPKC复合物的一部分定位于成神经细胞顶端。变异的aPKC导致对称分裂的成神经细胞数目的增加。与Drosophila成瘤潜力相一致，aPKC在人类肺癌中也被确定为原癌基因。由此推测不对称分裂除了维持干细胞数目和分化后代的平衡，可能还具有抑癌作用。

对称分裂可能不仅促进干细胞的增殖，也进而促进染色体非整倍性的发生率。与这一假设相一致，不对称分裂的机制调控纺锤体的定向。导致果蝇成神经细胞对称分裂出现非整倍性的原因可能是功能缺失的中心体，不论是复制错误还是形态失常，都可能导致染色体分裂异常。在哺乳动物细胞中由肿瘤抑制因子调控的中心粒功能对避免基因组的不稳定性十分重要。事实上，在不等分裂的细胞中，中心体和纺锤体似乎都被严格调控以保证子细胞获得不同的命运。可以合理推测被严格调控的中心体可保护染色体避免分离中的错误。如果是这样的话，对称分裂可能不仅增加干细胞数目，也会由于对纺锤体控制的放松而增加非整倍性和其它连带突变的可能性[1]。

5 展望

早期发育和损伤后的干细胞对称分裂对发育和损伤后修复具有重要意义。而其在依赖于发育和环境因素的对称和非对称分裂模式间的转换是增加修复能力并扩展细胞寿命的关键。干细胞对称分裂的增加具有致瘤的额外风险，尤其考虑到肿瘤细胞经常出现于成体干细胞的转换过程中。此外，如果肿瘤生长和发展由肿瘤干细胞驱动，这一过程可能依赖于能使干细胞级数扩增的分裂模式。

今后的重要论题是干细胞是如何受调控而在对称分裂和不对称分裂间转换的。对这一过程在分子水平的认识不仅有利于基础干细胞学的研究，还对干细胞治疗的调控有重要的临床意义。

[1]Sean J. Morrison, Judith Kimble. Asymmetric and symmetric stem-cell divisions in development and cancer[J].Nature, 2006,441:1068-1074.

[2]Le Borgne R., Bardin A., and Schweisguth, F. The roles of receptor and ligand endocytosis in regulating Notch signaling [J].Development, 2005,132:1751-1762.

[3]Suzuki, A., and Ohno, S. The PAR-aPKC system:lessons in polarity [J]. J.Cell Sci, 2006,119:979-987.

[4]Yukiko M. Yamashita, Anthony P. Mahowald, Julie R. Perlin, Margaret T. Fuller. Asymmetric Inheritance of Mother Versus Daughter Centrosome in Stem Cell Division[J].Science, 2007, 315:518-521.

[5]Vasily Shinin, Barbara Gayraud-Morel, Danielle Gomès, Shahragim Tajbakhsh. Asymmetric division and cosegregation of template DNA strands in adult muscle satellite cells [J].Nature Cell Biology, 2006, 8:677-682.

[6]Leonard I. Zon. Intrinsic and extrinsic control of haematopoietic stem-cell self-renewal[J].Nature,2008,453:206-313.

[7]Strome, S. Wood, W. B. Generation of asymmetry and segregation of germ-line granules in early C. elegans embryos [J].Cell, 1983, 35:15=25.

[8]Kai, T. & Spradling, A. Differentiating germ cells can revert into functional stem cells in Drosophila melanogaster ovaries [J].Nature, 2004, 428:564=569.