科学家探索维持胚胎干细胞特性的分子学机制

干细胞具有自我更新、永生不灭的能力，因而不断激发着研究人员去探究其医学潜力。但是了解干细胞的进程一直是缓慢的，人们花了20年的时间，只弄清了如何在实验室中培育出胚胎干细胞。最近，分子生物学技术在两个前沿领域取得了快速的发展。研究人员目前已开始探究干细胞在变为特定细胞的同时是如何增殖自身数量的，也正在了解如何将成人的皮肤细胞变成更像他们的“胚胎祖先”那样的细胞。这些进展给科学家带来的希望是，他们将很快能利用这些干细胞的能力，达成这些细胞为人却病的最终“愿景”。

何去何从：分裂还是分化

你也许常常会抱怨所在城市的交通简直是一团糟，但这要跟细胞内的交通麻烦比起来，简直不值一提。DNA几乎一刻不停地在用化学物质和蛋白质重新铺路，来维持染色质的DNA-蛋白质-化学物质这样的基础结构。染色质的这种构造有助于决定一个细胞的激活机制是像一辆HOV道（仅供乘坐至少某一规定乘客数的车辆通行的车道）上的车那样快速移动，还是一辆接一辆的车首尾相接堵得水泄不通。染色质可阻止细胞徘徊在错误的发展道路上，方法就是关闭那些误导细胞的基因。

但有些细胞则做着不一样的事情。胚胎干细胞并不会堵在仅有一条路线的主干道上。这些细胞在道路的一个岔口随时待命，他们保留了成为人体内各类细胞的能力，这种能力就叫“多能性”。理解这些细胞如何完成其两项使命---无限增殖和选择多重身份（分化为各种其他细胞），是生物学长期以来的重大难题。

在探寻干细胞秘密的过程中，科学家们普遍将目光聚焦在发现赋予其多能性的成分上，很少关注其经久不息的自我复制。新的研究表明，多能性（多向分化）和永久性（无限增殖）可能并不是两种互相分离的性状。很多研究人员相信，形成一个胚胎干细胞的关键在于两者的平衡。

新的研究显示，持续分裂也许是一个干细胞的天然状态。这些细胞不断地更新自己，直到一个变异信令（变换成其他细胞类型）的到来。另一项研究发现，一个涉及选择身份的化学物质家族对于导引细胞进行分裂也很重要。进一步的研究还表明，一个涉及多能性的由数百个基因组成的网络则可能和自我更新相关。

借助诸如此类的研究，科学家们得以更好地抓住胚胎干细胞的“干性”本质，更深地了解胚胎干细胞是怎样完成他们的既定使命的。

分子生物学中的“薛定谔猫”

研究人员过去常常认为，一个干细胞的生长离不开染色质和生长因子。但是，美国洛杉矶大学凯克医学院干细胞生物学家英奇隆（音译）和他的同事，在2008年5月22日的《自然》杂志上发表报告认为，除非另有指示，细胞会一直保持分化状态。事实上，胚胎干细胞将持续产生更多的干细胞，除非他们得到信令发展成其他细胞类型。

英奇隆表示，生命就只是一个自我更新和分化的过程。干细胞的行为就是这两个过程的相互作用。

譬如，给一个细胞发出变换成某种基因的最终信令后，参与一系列反应的被称为MAP激活酶的蛋白就会对分化施加重要的影响。MAP激活酶细胞对于细胞分裂来说也是必需的。在低浓度条件下，MAP激活酶的蛋白会告诉细胞分裂，高浓度条件则促使干细胞发展成其他类型的细胞。为了保持干细胞状态，细胞就需要调低MAP激活酶通路的活性，但又不能关闭。研究人员怀疑，其他的一些因子也是以这样的游走钢丝的方式来维持细胞的“干性”。

在2008年8月24日的《自然》杂志上，一个国际研究小组发表报告称，一个由许多基因组成的大型网络应对胚胎干细胞的多能性负责。间接证据表明，同一组基因和蛋白的相互作用则应与细胞的自我更新相关。德国弗朗茨-约瑟夫·穆勒综合精神病学中心的弗朗茨-约瑟夫·穆勒表示，这是一个共同工作的活性基因组合。他确信他们不只是抑制分化信号，但所有的这些基因确切在做些什么他也并不清楚。

在网络研究中确定的许多因子都围绕着DNA。其中的两个主要“成分”Oct3/4和SOX2就是科学家们所谓的转录因子，它是一种控制基因活性的蛋白质。（这两种蛋白质，连同KLF4和c-Myc，就是用于将皮肤细胞重组为多能干细胞的转录因子。）

组成了DNA字母表的碱基对A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）、G（鸟嘌呤）和T（胸腺嘧啶）的某些组合，就相当于为转录因子预留的停车标记。当这些因子发现了一个上面带有他们名字的标记时，他们就占据于DNA上，帮助打开或关闭附近的基因。

至少在DNA裸露（也就是相当于一个空停车场）时，上述情形就会发生。但是真实情况并不是这样简单，情形远要复杂得多。在细胞发展过程中，两组竞争的蛋白质族帮助控制基因的活性。Polycomb族关闭基因，trithorax族则打开基因。都是通过将一种称为甲基族的化学物质栓在DNA的亲密助手---组蛋白H3上，这两个族的蛋白质才能完成他们的任务。Polycomb族将甲基族粘附在蛋白质构筑单元赖氨酸上，该赖氨酸位于组成组蛋白的氨基酸链的27号位置。trithorax族也能对赖氨酸甲基化，但不是在27号位置，而是4号位置。

这看起来似乎是个很细微的差异，但对一个细胞来说，这个差异就像红绿交通信号灯一样清晰可辨。

美国麻省综合医院和哈佛医学院的基因组科学家及染色质生物学家布拉德利·伯恩斯坦说，在胚胎干细胞中，蛋白质编码基因对于发育很重要，其他2500个基因则既携带Poly鄄comb，又携带trithorax甲基化标记。因此，这就像极了薛定谔猫（在量子力学世界，有一只猫，它生活在半死不活的叠加态，这就是著名的薛定谔猫。量子理论认为：我们永远也不知道薛定谔猫是死是活，它将永远处于半死不活的叠加态），胚胎干细胞中的基因，在某种意义上说，就同时处于开启和关闭的状态。

染色质松散地包围在这些基因周围，使之易于接近以打开基因。2008年6月在费城召开的国际干细胞研究协会的一次会议上，伯恩斯坦解释说，在胚胎干细胞中，这些染色质蛋白的“呼吸”，就等于粘附于DNA和脱离DNA，这就像是开进停车位，接着倒出来，然后再开进去。但这并不会发生在一个成熟的、已分化的细胞中。一旦细胞开始分化，这些蛋白往往就待在停车位里。

虽然双甲基标记允许胚胎干细胞保持他们的选项开放，所有的双标记基因都是关闭的。当细胞分化时，Polycomb形成的标记被删除，给胚胎干细胞发展成特殊的细胞类型亮起了绿灯。

Polycomb和trithorax甲基标记也许扮演着转录因子寻找停车位的“归航信标”的作用。哈佛大学研究人员调查了9种不同转录因子是如何在胚胎干细胞中行为和相互作用的。在2008年3月21日的《细胞》杂志上，研究小组报告说，Oct3/4、SOX2、NANOG、KLF4和其他3种转录因子往往是合伙拼车，选择那些既有Polycomb又有trithorax标记的基因。这些基因在胚胎干细胞中通常都很活跃，但当细胞分化时都一齐关闭了。

另一方面，只带有一种甲基标记的基因往往会吸引单个的转录因子，或更小的转录因子。这些基因在干细胞中通常是关闭的，但细胞分化时就转为开启。哈佛研究小组报告称，也有少数基因在其组蛋白上则没有甲基族，这些基因大部分会被转录因子忽略。

伯恩斯坦说，还有一些基因在低浓度水平的干细胞中似乎所有时间都是开启的。这些基因也许有助于控制一个细胞的发展路径。

英国剑桥大学发育生物学家约翰·古登说，这类混杂基因活性也能在卵母细胞---不成熟的卵细胞中发现。卵母细胞常常会开启一般在肌肉细胞或其他成体细胞中发现的基因。而且，无需转录因子的帮助，卵母细胞就能做到这一点。这意味着，最早的细胞开启了整个基因组，将DNA和组蛋白剥离成“裸体”。于此，发育就变成了一场关停那些不想要的东西的行动。

争夺遗传“监护权”

关停这些东西的一个方法，就是将甲基族粘附在DNA上。甲基族的粘附动作，关闭了通向基因活性快车道的匝道。在胚胎干细胞中，一些称为CpG岛的调控区域可以自由通行，而基因组中的其他区域则被严重甲基化。

美国加州大学干细胞生物学家路易斯·劳伦特和同事检查了几个不同的胚胎干细胞系中的甲基化模式。研究人员将这些干细胞与许多已分化细胞进行了比较，以察看干细胞是否包含其他隐藏的可将他们与成体细胞区别开来的甲基化模式。

研究小组还将其与细胞中的其他主调节器进行了比较。这些调节器是只有20个字母（基）长的RNA片段。因为尺寸小使他们赢得了小RNA的称号，但这些分子做的工作可不小，控制着细胞中大部分蛋白质的生产。通常小RNA的行为就像是一个建筑监理，关停蛋白质的建设，直到某些条件得到满足。每个小RNA也许可调节成百上千个蛋白质的生产。

在人体的14号染色体上，研究小组发现了一簇小RNA。该簇在胚胎干细胞中是关闭着的。研究小组很快发现为什么会这样，因为在该簇的附近有一个基因，叫做母系表达基因3，它会制作RNA，但不会制作蛋白质。因为一种特殊的化学变化关掉了来自父体的基因副本，所以只有继承自母体的基因副本能被开启。科学家将之称为“印记”。

“印记”类似于遗传“监护权”的斗争。人体继承了几乎所有基因的两个副本，一个来自母体，一个来自父体。大部分时间里，两个副本都能制作RNA和蛋白质。但在少数情况下，只有一个副本激活是重要的，在这种情况下，细胞通过服务于其他带有甲基化标记的基因，来决定哪个父体基因将有此荣幸。在母系表达基因3的例子中，在母体基因制作RNA的同时，父体基因通过甲基化而关闭。小RNA簇以同样的方式被印记，使得只有母体副本被激活。对其他基因来说，这种情形也许是颠倒的。

许多重要基因被印记，平衡被打破就会导致疾病和失调，如天使人综合征（Angelmansyndrome）和普拉德-威利综合征。

奇怪的是，在研究小组检查的每个胚胎干细胞系中，来自母体和父体的染色体都携带一个甲基化标记。一般认为不会发生这样的事。这就像法官判定无论父母哪一方都不能得到孩子的监护权，而孩子只能待在孤儿院一样。由此带来的后果就是，小RNA簇在胚胎干细胞中被静默了。

这样的结果是意想不到的，劳伦特仍在试图弄清甲基化后来是如何从母体染色体上被删除的，从而允许了小RNA的制造。科学家们也还不清楚为什么胚胎干细胞在处理印记时与其他细胞具有如此的不同？

劳伦特说，一种可能就是我们以为已了解了印记，其实我们并没有真正地了解印记；另一种可能则是胚胎干细胞中的印记并不稳定。

尚未完成的使命

这类功能失调家族的斗争也许有助于解释为什么某些克隆动物会出现健康问题。印记缺陷可能也会对利用干细胞治疗人类疾病造成限制。

正如胚胎干细胞做的事不同于成熟细胞，来自其他物种的胚胎干细胞也具有独特的特性。即使人体胚胎干细胞和小鼠胚胎干细胞均取自于看似相同发育阶段的胚胎，细胞的能力也是不同的。人体胚胎干细胞能产生胎盘，而小鼠胚胎干细胞则不能。这似乎表明，就发育意义上说，人体细胞要比小鼠细胞稍稍先进些。

英奇隆和同事已成功地从大鼠胚胎中分离出胚胎干细胞，这是一个30多年来科学家一直试图完成的使命。英奇隆说，大鼠细胞不同于人体细胞，也不同于小鼠细胞，必须在特定条件下才能生长。他已能使大鼠细胞完成人体和小鼠胚胎干细胞能做的几乎任何事，诱导产生约95%的该动物细胞类型。但大鼠细胞尚未形成将产生精子和卵子的细胞，而精子和卵子对于真正的胚胎干细胞分类是至关重要的。

但是，英奇隆也认为着眼于差异对于了解干细胞的工作机制来说只是有限的。研究人员将对人类、大鼠和小鼠的胚胎干细胞进行比较，以观察有何性状是相似的。干细胞对进化来说太重要了，以至于不会在同一个物种中采取不同的行动方针。

英奇隆表示，真正的机制一定会在物种间共享，因此研究人员正在尝试找出其中的共同点。但即使以大鼠和小鼠作导引，科学家们要了解胚胎干细胞用以获取干性的所有秘密成分和技巧，也许仍需很多年。