[STEM] Nature：幹細胞分化路徑存在差異性

看板Medicine (醫學生物)作者pathoman (青黏材菌)時間16年前 (2008/06/13 08:30)推噓0(0推 0噓 0→)

留言0則, 0人參與討論串1/1

由于用途的無限可能，幹細胞被賦予了“全能”的榮譽。那麼，幹細胞究竟能夠分化成什麼，怎樣進行分化，走哪條路到達分化終點，這些過程又是由哪些因素決定的呢？傳統觀點認為細胞進行分化時，路徑和目的地是統一的，由固定的細胞信號通路決定。然而來自5月底《自然》（Nature）雜志的一項新的研究報告表明，幹細胞分化路徑是通過基因的選擇性行為形成的一系列分化網絡路徑，但是分化終點卻是相對固定的。研究人員用了一個形象的比喻：就如同山上的一塊石頭能夠通過無限可能的路徑下山，但是最終只能到達同一個山谷。細胞特性決定分化目的地通過詳細研究造血幹細胞是分化成白細胞前體還是紅細胞前體的各種相關因素，研究人員得出了上述結論。首先他們通過檢驗典型的血液幹細胞群，發現了一種普遍存在于幹細胞中的細胞標記──Sca-1蛋白，該蛋白在每個細胞中的濃度都不盡相同，甚至有1000倍之多的差距。有人認為Sca-1蛋白含量低的細胞就會進行自動分化。然而當研究人員根據蛋白含量將細胞分為高、中、低三個種類並進行培養研究時發現，不同類型的細胞派生的細胞群落通過 9天或9天以上的培養蛋白含量將趨于相同。這些細胞的分化方向也相同嗎？然而，進一步研究證明它們在分化過程中明顯不同。研究表明，在紅細胞生成素的刺激下，Sca-1蛋白含量低的血液幹細胞分化成紅細胞前體的機會比Sca-1蛋白含量高的幹細胞高7倍。相反，幹細胞在粒細胞──巨噬細胞刺激因子（一種白細胞生成刺激因子）的作用下，那些Sca-1蛋白含量高的幹細胞更容易變成白細胞。研究人員還對轉錄因子GATA1和PU.1進行了研究，它們分別促進幹細胞轉變成紅細胞和白細胞。結果表明Sca-1蛋白含量低的血液幹細胞（更傾向于轉變成紅細胞）擁有比其它兩類細胞更多的GATA1；相對應地，Sca-1蛋白含量最高的血液幹細胞（更傾向于轉變成白細胞）擁有最高濃度的PU.1。之前進行的一項研究也證明了這個結論：一個特定細胞可以表現出與眾不同的基因行為，選擇一個特別的“下山路徑”，但是最終它仍然和它的同類細胞一樣分化成同種細胞，到達同一個山谷。研究人員將細胞前體暴露在兩個完全不同的藥液中：DMSO和視黃酸，密切關注細胞的基因表達情況，盡管使用激素不同，在整個7天的分化過程中，它們的分子路徑和基因的表達情況都完全不同，但是兩組細胞最終都分化成了嗜中性白血球。生物體中的穩定態更重要的是，在三類細胞組中的Sca-1、GATA1和PU.1含量並不是保持不變的，經過一段時間後，它們之間的區別將不再明顯，細胞分化的傾向性也會隨之不斷變化，這也表明，細胞間的不同是暫時的。研究人員還用基因芯片檢測了細胞的整個基因組。基因水平的實驗同樣證實了三類細胞組間的區別是可以變化的。在高低水平不同的細胞組中存在著多于3900個基因的表達差異，這些差異同樣是可以變化的，並會隨著時間而不斷消失──高、低含量的兩類細胞的基因活動越來越像中間含量的細胞組。研究發現，基因行為的循環以及細胞狀態的波動最終都是為了將細胞保持在一個穩定狀態，為它們在條件合適時進行分化做好準備。此次發現挑戰了生物學家以往對于生物體活動的印象。與物理學中的能態相似，生物系統同樣傾向于維持在一個相對穩定的狀態。在這種情況下，血液幹細胞更傾向于保持幹細胞的狀態，然而當它們經歷過基因活動以及蛋白生產等波動後，先前平衡好的穩定態被顛覆到另一個穩定態中，于是它們轉變成白細胞或者血紅細胞的前體。在平衡的顛覆中，一些特別的生長因子起到了一定的作用，但這些因子只是誘導細胞分化全部因素中的一部分。生長和分化因子僅僅增加了細胞生長和分化的可能性，而細胞分化本身是整個細胞群的特質，一個石頭到達山下最終都會抵達山谷，但是到達哪一個山谷取決于地形的形狀。也就是說，細胞分化成什麼取決于其本身的特質，而它走的路徑，是它在繼承系統結構和調節機制的同時，進行的一個選擇性的行為。研究人員表示，自然創造出一種最優化最簡單的方式以滿足其多樣性的要求，並將其保持到一個穩定的水平，使細胞能夠以一種系統、可控的方式來應答其所處環境的變化。實踐指導提高效率這項研究也給了幹細胞生物學家一點新的啟示，他們將可能需要考慮改變一下當前實驗室中應用的幹細胞分化方式。黃穗表示，目前應用的分化方式並不高效，只有10%─50%的細胞對激素或其他物質的作用產生反應。這是由于細胞間的區別與生俱來，不同的細胞對不同的物質反應不同，所以人們發明了更多復雜激素的混合物，但是我們可以利用細胞的區別分辨出那些已經準備好分化的細胞使得分化過程更高效。後續工作表明，通過選擇適當的幹細胞亞群，採用正確的方法刺激，分化效率會得到大幅度的提高。上述地形類比和選擇性決定的概念都不是生物學家所熟悉的，他們更傾向于單個基因以線性路徑的方式發生行為，這在某種意義上說是一種思路的變革。對于生物學家來說，從思考單一路徑到思考所有可能路徑的整個網絡是很難的，單一路徑很難弄清楚整個過程，研究人員在了解了網絡路徑後，下一步要做的是研究路徑選擇背後的推動力。 Nature，453, 544-547，Hannah H. Chang，Sui Huang Transcriptome-wide noise controls lineage choice in mammalian progenitor cells Phenotypic cell-to-cell variability within clonal populations may be a manifestation of 'gene expression noise'1, 2, 3, 4, 5, 6, or it may reflect stable phenotypic variants7. Such 'non-genetic cell individuality'7 can arise from the slow fluctuations of protein levels8 in mammalian cells. These fluctuations produce persistent cell individuality, thereby rendering a clonal population heterogeneous. However, it remains unknown whether this heterogeneity may account for the stochasticity of cell fate decisions in stem cells. Here we show that in clonal populations of mouse haematopoietic progenitor cells, spontaneous 'outlier' cells with either extremely high or low expression levels of the stem cell marker Sca-1 (also known as Ly6a; ref. 9) reconstitute the parental distribution of Sca-1 but do so only after more than one week. This slow relaxation is described by a gaussian mixture model that incorporates noise-driven transitions between discrete subpopulations, suggesting hidden multi-stability within one cell type. Despite clonality, the Sca-1 outliers had distinct transcriptomes. Although their unique gene expression profiles eventually reverted to that of the median cells, revealing an attractor state, they lasted long enough to confer a greatly different proclivity for choosing either the erythroid or the myeloid lineage. Preference in lineage choice was associated with increased expression of lineage-specific transcription factors, such as a >200-fold increase in Gata1 (ref. 10) among the erythroid-prone cells, or a >15-fold increased PU.1 (Sfpi1) (ref. 11) expression among myeloid-prone cells. Thus, clonal heterogeneity of gene expression level is not due to independent noise in the expression of individual genes, but reflects metastable states of a slowly fluctuating transcriptome that is distinct in individual cells and may govern the reversible, stochastic priming of multipotent progenitor cells in cell fate decision. http://www.bioon.com/biology/cell/370873.shtml -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc) ◆ From: 133.11.70.112