可塑性与严格性：重新思考干细胞分裂模式Plasticity and stringency: rethinking stem cell division modes | Biochemical Society Transactions | Portland Press

引言

干细胞的定义基于其双重潜能：自我更新能力以及分化为特化细胞类型的潜能。这种微妙的平衡维持在称为微环境的特殊微环境中，该微环境提供调节干细胞行为的物理和分子线索[1]。微环境概念已在各种生物系统中得到广泛研究，包括果蝇的生殖系干细胞(GSCs)和哺乳动物的造血干细胞(HSCs)[2–6]。目前我们对干细胞命运如何在干细胞微环境背景下被控制有了更好的理解。

从机制上讲，干细胞维持可通过多种策略实现。不对称细胞分裂(ACD)长期以来一直被认为是中心机制，允许单次分裂产生一个保留干细胞身份的子细胞和一个分化的子细胞。这通常通过有丝分裂纺锤体的典型定向和命运决定因子的极化分布实现，如在果蝇神经母细胞中所见[7]，或是通过微环境来源的局部信号，包括Janus激酶和信号转导与转录激活因子(JAK-STAT)信号[8–10]以及骨形态发生蛋白(BMP)信号[11,12]，在果蝇性腺中观察到。通过将极性与信号传导耦合，ACD确保了干细胞池的长期保存，同时持续提供分化的后代。

同时，对称细胞分裂(SCD)对于在群体水平上维持干细胞也非常重要。与其让每个干细胞进行不对称分裂，不如通过干细胞群体的集体行为来平衡干细胞数量：一些分裂扩大干细胞池，而另一些则产生分化后代，从而实现整体稳态。这种模式已在HSCs[13,14]和肠道干细胞[15,16]中得到证实。SCD的高度灵活性为系统提供了可塑性，从而保障系统对干细胞丢失或过度增殖的韧性。

累积证据表明，每种干细胞类型可采用不同的分裂模式，但通常表现出一种偏好模式。表1总结了目前对各种干细胞系统中这些模式的理解。观察到的ACD和SCD比例进一步受到干细胞分裂高度动态和情境依赖性的影响，这在不同细胞类型和生理状态下可能有很大差异。已有多个例子表明干细胞可在ACD和SCD之间切换，这种切换提供了调控灵活性，使组织能够适应发育线索、再生需求和环境变化。一个显著的例子是在肠道干细胞中，它们根据营养可用性在ACD和SCD之间改变其分裂方向，从而调整肠道生长[15]。重复的肌肉损伤增加了肌肉干细胞中的对称更新事件，在长期修复过程中减少了克隆多样性[36]。同样，衰老促进了向对称分裂的偏向并破坏了HSC分裂中的表观遗传不对称性[37]。炎症也使HSC行为偏向对称更新[38]。然而，目前尚不清楚这些干细胞系统中如何以情境依赖的方式发生如此灵活的切换。

表1：跨系统的干细胞分裂模式

ACD严格规定了两个子细胞的不同命运，而SCD后的命运决定似乎以更灵活的方式发生，可能受到微环境可用性以及局部或系统信号强度等环境线索的影响，表明SCD代表了一种适应组织需求的策略。然而，如果ACD依赖于分裂时内在因子的精确分离，转向SCD可能会损害潜在结果。因此，理解ACD的真正意义对于解释分裂模式变化的结果至关重要。

ACD

ACD的概念作为一种优雅的机制出现，用以解释干细胞如何同时自我更新并产生分化后代。在ACD中，一个子细胞继承维持干性的必要分子和位置线索，而另一个则被导向分化。ACD最早的机制研究是在果蝇神经母细胞中进行的，这些细胞在幼虫脑发育期间进行重复分裂，产生一个自我更新的神经母细胞和一个分化的神经节母细胞[39]。在这种情况下，内在因子的分离在命运决定中起着核心作用。首先，细胞极性蛋白如Par复合物成分（Bazooka/Par-3、Par-6和aPKC）建立皮层不对称性。然后，这些皮层因子驱动关键细胞命运决定因子（包括Numb、Prospero、Miranda和Brat）仅向一个子细胞的不对称分离[20,40–44]。这些研究提供了细胞内极性如何控制不对称结果的机制蓝图（图1A）。

图1：ACD中细胞命运的内在和外在调控

（A）内在命运调控依赖于因子的不均等分离。干细胞皮层上的绿色线条表示极性因子（如Par蛋白），随后调控下游效应因子（如Numb、Prospero和Miranda）的不对称分离。（B）相比之下，外在调控受微环境影响。两个子细胞可能具有相同的潜能，但其后续命运由其与微环境的接近程度决定。保持与微环境接触的细胞接收维持其干性的外部信号，而从微环境移开的细胞则被诱导分化。

不久之后，ACD的原理扩展到果蝇卵巢和睾丸中的GSCs[6,17]。在这里，微环境来源的外在信号对命运决定至关重要。朝向微环境的有丝分裂纺锤体定向确保一个子细胞保持与微环境信号的接触并保留干细胞身份，而另一个则被移开并开始分化（图1B）。这一发现突显了来自微环境的外在位置线索可以与内在极性机制协同工作以强制执行ACD。

自那以后，ACD已在多个干细胞系统中得到认可（表1）。在哺乳动物神经干细胞中，皮层放射状胶质细胞显示中心粒和命运决定因子（Par蛋白、Numb）的不对称遗传，产生自我更新的前体细胞和神经元[29,30]。在上皮中，干细胞也可以进行定向分裂，决定后代是留在基底/干细胞隔室还是向上移位分化[35]。小鼠HSCs也已知表现出ACD的证据[45]。类似于果蝇神经母细胞的情况，已证明命运决定因子如Numb、Musashi和老化线粒体的不对称分布（综述见[28]），尽管ACD在体内所需的程度仍有争议。

为什么需要ACD？

虽然ACD已在广泛的干细胞系统中被认可，且主流理论认为ACD对于平衡自我更新和分化至关重要，但这一经典模型已被新兴证据挑战，即干细胞群体可以通过对称分裂维持，其中两个子细胞要么保持为干细胞，要么分化。只要干细胞微环境受到限制，无论是通过物理空间限制还是自我更新信号的可用性[46]，干细胞就会不断竞争有限的微环境资源，防止过度增殖和耗竭。这提出了一个基本问题：如果对称分裂本身就能维持干细胞群体，ACD提供了什么进化优势？

1. 表观遗传信息的不对称遗传

研究表明，在果蝇GSCs的ACD过程中，预先存在的（"旧"）组蛋白H3优先遗传给自我更新的干细胞，而新合成的（"新"）组蛋白H3则偏向于分化的子细胞[47]。这表明一种有趣的可能性，即尽管姐妹染色单体的DNA序列相同，但染色质组成（就组蛋白来源而言）是不对称的，这提供了一种机制，使相同基因组可以产生具有不同表观遗传状态和命运的子细胞。这提供了表观遗传记忆（通过组蛋白）可以在干细胞分裂过程中不对称分配的可能性。

2. 细胞衰老与命运决定

图2：ACD中因子的偏向分离

（A）不同年龄的蛋白质或细胞器的不均等分离可能决定细胞"年龄"或其细胞命运。图中显示了溶酶体和线粒体。（B）可再生因子（如rDNA拷贝）的不对称分离。（C）在果蝇雄性GSCs中，旧母中心粒（红色）在多轮不对称分裂中被保留。存在"不朽因子"的概念，该因子可能沉积在干细胞中并在生物体一生中长期保留。与旧母中心粒相关并保留在干细胞中的任何因子的存在尚不清楚。

ACD的一个潜在优势在于其在细胞衰老/再生中的作用，通过不对称分离年龄相关损伤（图2A）。在不对称分裂的酵母Saccharomyces cerevisiae中，如受损蛋白聚集体[48,49]、老化线粒体[50]和细胞外rDNA环[51]等衰老因子优先保留在母细胞中。这种主动的非随机分离使子细胞能够继承相对纯净的细胞质，有效重置其细胞年龄，有助于酵母的复制寿命。

有趣的是，在哺乳动物干细胞系统中也观察到了类似的内在不对称性。例如，乳腺干细胞样细胞表现出非随机线粒体分离，其中较旧和较新的线粒体由子细胞差异遗传[52]。使用与线粒体外膜蛋白融合的光活化GFP（paGFP-Omp25），研究人员显示标记的（较旧的）线粒体优先遗传给分化的子细胞。这种不对称分布产生具有不同代谢活性的两个后代，使其偏向不同命运[53]。

其他细胞器也显示影响干细胞行为的不对称遗传。在HSCs中，溶酶体的不均等分离已被证明决定子细胞命运[54]。同样，过氧化物酶体在分裂期间表现出不对称分布[55]，进一步突显了细胞器和受损成分的不均等遗传可能决定细胞年龄并影响各种干细胞系统中命运决定策略。

3. 跨代rDNA维持

ACD在基因组维持中的另一个作用涉及在生殖系中维持核糖体DNA（rDNA）的拷贝数（图2B）。核糖体负责将mRNA翻译成蛋白质，其核心成分核糖体RNA由rDNA位点转录。由于核糖体生物合成对细胞存活至关重要，维持rDNA完整性对动物尤为重要。然而，rDNA位点以高度重复的串联重复序列组织，使其本质上不稳定，并易受染色体内重组和转录与复制机器碰撞的影响[51,56,57]。事实上，rDNA拷贝的逐渐丢失已与复制性衰老相关[58,59]，突显了抵消rDNA丢失以确保长期细胞活力和生物体健康机制的重要性[60]。

在果蝇中，rDNA位于X和Y染色体上，其缺陷会导致特征性的"bobbed"表型，表现为短刚毛和异常表皮，这是由于核糖体生产受损[61,62]。1968年，Ferruccio Ritossa做出了一个惊人的观察，即表现出bobbed表型的果蝇可以产生具有野生型特征的后代，如正常刚毛大小和表皮形态[61]。他将这种恢复归因于雄性生殖系中rDNA拷贝数的增加，这一过程他称为"rDNA扩增"。

后续研究证实，当rDNA拷贝数减少的父母产生后代时，这种减少会被F1代继承，但大约在10天内逐渐恢复[63]。这种恢复与bobbed果蝇中观察到的表型恢复平行，表明rDNA拷贝数在世代之间被主动维持。解释这一现象的领先模型之一是不等姐妹染色单体交换（USCE）[64]。当rDNA拷贝数低于临界阈值时，会触发USCE。在经历rDNA扩增的GSCs中，逆转录转座子R2的转录显著上调，在雄性GSCs中产生双链DNA断裂[65]。这些断裂促进姐妹染色单体之间的重组，使一个染色单体在另一个染色单体的代价下获得rDNA拷贝，从而增加一个姐妹染色单体中的rDNA含量。

在雄性GSCs的ACD过程中，X和Y染色体的姐妹染色单体非随机分离[66]。结果，干细胞优先继承具有更高rDNA拷贝数的染色单体，从而在GSC谱系中保留和扩增rDNA。尽管USCE模型最初面临局限性，例如观察到的rDNA恢复通常超过了单次交换事件预期的加倍，但最近的研究澄清了这一差异。数学模型表明，重复的ACD轮次可以解释实验中观察到的rDNA拷贝数增加大于加倍的情况[67]。因为GSCs可以在分化前经历多次不对称分裂，这些连续的ACD使rDNA能够累积扩增。因此，ACD可能作为将USCE与选择性染色单体遗传耦合以驱动rDNA扩增和跨代维持rDNA完整性的关键机制。

4. 中心体不对称性

中心体不对称性通过影响不对称细胞分裂的执行方式来促进干细胞命运[68]。因为细胞中的两个中心体在年龄和微管组织活性上不同，它们可以差异地影响细胞极性和纺锤体定向，这是不对称分裂的关键特征。在果蝇雄性GSCs中，旧母中心粒在许多细胞分裂周期中被维持[69]。有趣的是，这种中心粒年龄/大小的不对称性影响了许多其他细胞因子在分裂子细胞中的分离模式[70]，提出了中心体不仅作为极性组织者，而且作为携带影响命运信息载体的可能性。除了果蝇雄性GSCs外，许多干细胞优先继承较老的母中心体或较年轻的子中心体（综述见[68]），反映了中心体功能的保守性，这也支持了这一想法。尚不清楚中心体年龄（母体vs.子体）是否决定其与命运决定因子的关联，或者是否存在"不朽因子"位于旧母中心粒上并在生物体一生中保留在干细胞中。

ACD在克隆扩增中的作用

在干细胞池中，任何偏离严格ACD的行为，无论是通过对称分裂、去分化还是干细胞丢失，不可避免地会减少克隆多样性[71]（图3）。这个过程称为中性漂移，导致单个干细胞克隆的随机扩张和收缩，最终导致干细胞池中单一克隆的主导[16,31]。

图3：通过中性漂移的克隆扩增过程

一个说明中性漂移驱动下干细胞微环境中克隆扩增过程的示意图。最初，微环境被许多不同的干细胞克隆占据（A1-A9，由不同颜色表示，左侧面板）。随着时间推移，中性竞争导致单个克隆的随机扩张和收缩（中间面板）。这个过程最终导致克隆主导，其中微环境变成单克隆（右侧面板），完全由单个干细胞克隆（A1）的后代占据。

哺乳动物肠上皮为克隆扩增提供了一个引人注目的例子。肠干细胞位于数百万个称为隐窝的微小、区域化结构内。使用Cre-loxP系统与Confetti报告盒，研究了肠干细胞的克隆动态[16,31]。该系统使用Cre重组酶在细胞内随机激活四种荧光蛋白之一，通过其不同颜色可视化和追踪单个干细胞及其后代。这些研究表明，在标记诱导后约3个月，整个隐窝被单个干细胞克隆的后代占据，从而变成单克隆[16,31]。在哺乳动物睾丸的精原干细胞中也观察到类似的克隆动态[72]，现在被认为是包括皮肤、肝脏和食道在内的许多组织的共同特征[73,74]。

克隆扩增的临床后果在人类造血系统中通过一种称为克隆性造血（CH）的现象明显[75–77]。这种与年龄相关的HSC克隆扩增随着年龄增长而越来越普遍，并与心血管疾病和血液系统恶性肿瘤风险增加相关[75,76,78]。下一代测序和单细胞技术的进步使通过检测自然发生的细胞条形码（如体细胞线粒体DNA突变或独特甲基化模式）实现高分辨率谱系追踪成为可能[79,80]。这使得即使没有已知驱动基因，也能推断克隆扩增。造血系统中的几项数学建模研究为驱动克隆扩增的机制提供了见解，表明较小的干细胞池[81]和增加的增殖率[82]加速了这一过程。尽管克隆扩增在几乎所有组织中都被广泛观察到，并且其临床意义重大（如CH所示），但驱动克隆扩增的确切机制仍未完全理解。

我们最近使用果蝇睾丸作为模型系统的研究为干细胞分裂模式如何调节克隆动态提供了机制见解[83]。我们首先开发了一个数学模型，预测更高的ACD率显著延迟单个克隆主导微环境所需的时间。然后，使用体内谱系追踪，我们证实在生理条件下，GSC克隆经历中性竞争，导致它们在微环境中的消除或扩张（图3）。这些发现提供了直接证据，证明ACD是抑制克隆主导和维持微环境中干细胞异质性的关键机制。

SCD

SCD在群体水平上维持干细胞方面起着至关重要的作用。与其限制每个干细胞进行不对称分裂，SCD允许通过整个干细胞群体的集体行为来调节干细胞数量。在这种模型中，一些干细胞经历对称自我更新，产生两个干细胞后代，从而扩大池，而其他干细胞经历对称分化，生成两个承诺的前体细胞，为组织形成做出贡献。这两种对称结果之间的平衡确保了整体群体稳态，即使单个干细胞在其分裂模式上可能波动。

这种群体水平策略已在包括HSCs[13,14]在内的几个系统中提出和解释，其中对称自我更新和分化之间的随机切换维持长期造血平衡，以及肠道干细胞[15,16]，其中干细胞之间的动态竞争和中性漂移导致群体替换而不损失组织完整性。类似机制也在其他快速更新的组织如表皮和生殖系中报告，突显了这一原理在不同生物体和组织背景下的普遍性（表1）。由于SCD的灵活和适应性性质，它可以为干细胞系统提供可塑性。通过允许自我更新与分化分裂比例的可逆变化，组织可以快速适应生理需求。

去分化和转分化

促进干细胞稳态的第三种机制是去分化，即更承诺的前体或分化细胞恢复为干细胞样状态。与SCD的作用类似，去分化增强了干细胞系统的可塑性和韧性，允许组织适应环境或生理变化，如减少干细胞数量的饥饿或应激条件[84]。累积证据支持在不同生物体和组织中发生去分化（表2）。在果蝇睾丸中，丢失的GSCs可以通过精原细胞的去分化来补充[84,85,113]，而在哺乳动物中，类似过程已在精子发生[93,94]、神经前体细胞[111]和上皮细胞[109]中观察到，这些细胞在特定条件下可以恢复到更原始的状态。最近对黑素细胞干细胞的研究进一步表明，过渡扩增区域的细胞可以频繁地恢复到干细胞状态[92]。然而，在大多数情况下，去分化似乎是一个罕见事件，仅在特定生理或应激诱导的情境下被激活。

表2：跨系统的干细胞去分化

去分化在稳态条件下维持干细胞数量是否必不可少仍存在争议。一个主要复杂性来自于如何定义和实验确定去分化，这在不同系统之间差异很大。一些研究基于分子标记转换来识别去分化，例如，分化细胞中干性相关转录因子的再表达，而其他研究则依赖于相对于微环境的细胞重新定位，假设重新进入微环境反映了恢复干性。这种定义模糊性常常导致在解释数据和比较不同组织或模式生物的结果时出现差异。

在小鼠精子发生中，研究人员通常使用"恢复"或"互变"而非"去分化"来描述此过程，强调未分化和分化精原细胞之间的动态交换[93,94]。相比之下，在果蝇GSC系统中，一旦干细胞后代离开微环境，就注定要分化。由于ACD模式占主导地位且分裂方向已确立，相对于微环境的细胞位置是区分干细胞与分化细胞的最可靠标准，去分化主要通过物理重新定位回微环境来定义[17]。在这个系统中，最近的一项研究表明，即使在正常生理条件下也会发生去分化[89]，再生实验进一步表明，它是补充丢失干细胞的主要机制[89]。在这个系统中观察到的这种行为类似于小鼠精原细胞[93,94]和黑素细胞干细胞[92]。

鉴于许多系统中调控ACD的细胞机制受到严格调控，去分化可能提供了一种恢复微环境占据的替代策略，而不是从ACD转向SCD。细胞如何感知微环境空缺并启动去分化的分子机制在很大程度上仍未知。

总的来说，这些研究表明，去分化的概念和操作定义仍然不固定，这种模糊性使确定其频率、调控机制和生理相关性变得复杂。结合分子、空间和功能标准的标准化框架对于解决这些差异并阐明其对组织稳态的贡献至关重要。

讨论

尽管干细胞微环境在结构和分子上很复杂，但最近的研究开始揭示各种类型的干细胞可以在不同分裂模式（ACD和SCD）之间切换。这些发现表明，ACD和SCD不是特定干细胞类型的固定属性，而是允许干细胞在其组织背景下维持稳健性和适应性的灵活策略。此外，这些观察表明存在动态调控这些分裂模式平衡的调控机制。干细胞如何感知组织需求并将其与分裂模式对齐的机制在很大程度上仍未知。

ACD已在广泛的哺乳动物干细胞系统中得到证实[53,54,114,115]。相反，包括肠道在内的几个哺乳动物干细胞群体通常被描述为主要通过对称分裂维持[16,31,46,116]。然而，即使在同一组织类型内报告的ACD频率存在广泛差异[117]，表明当前方法在捕获分裂模式真实分布方面可能仍然具有挑战性。这些差异部分源于直接在体内可视化和分类分裂结果的技术困难。

ACD可以通过减缓克隆扩增和保持异质性来深刻影响长期克隆动态。因此，使用先进的成像和定量谱系追踪方法重新评估ACD的普遍性和功能意义，对于全面理解干细胞群体动态至关重要。重要的是，调节干细胞分裂模式，特别是增强ACD，可能代表一种有希望的疾病预防策略，以最小化克隆扩增并减轻与年龄相关的疾病（如CH）的发作。

展望

• 强调该领域的重要性。干细胞维持受多种策略调控，包括不对称细胞分裂（ACD）、对称细胞分裂（SCD）和去分化。它们的相对贡献因系统、背景和年龄而异。这些"模式"的严格调控对于理解干细胞系统如何适应环境变化非常重要。
• 提供当前思维的总结。尽管ACD的替代策略提供了灵活性，确保在应激或微环境扰动下的韧性，但ACD保真度的丧失或向SCD或去分化的转变可能产生深远后果，从组织功能障碍到癌症启动。本综述主要强调这些潜在后果。
• 评论未来方向。了解这些分裂模式如何整合、受竞争调节以及受衰老影响仍然是核心挑战。阐明分裂选择的分子决定因素、开发预防克隆扩增的疗法以及利用去分化进行再生医学。通过整合跨系统见解，我们可以开始定义保障干细胞功能贯穿生命的原则，并为治疗干细胞相关疾病提供策略。

利益冲突

作者声明与本手稿无相关竞争利益。

资金支持

本研究获得美国国家普通医学科学研究所R35GM128678和康涅狄格大学健康启动资金支持（授予M.I.）。

开放获取

本文章的开放获取由康涅狄格大学参与Portland Press和生物化学学会的全包含阅读与出版协议实现。

CRediT作者贡献

M.B.B.和M.I.：撰写-原始草稿和撰写-评审与编辑。

致谢

感谢Boris Slepchenko的有益评论和建议。

缩写词

ACD：不对称细胞分裂

CH：克隆性造血

GSC：生殖系干细胞

HSC：造血干细胞

SCD：对称细胞分裂

USCE：不等姐妹染色单体交换

rDNA：核糖体DNA

【全文结束】