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shRNA表达克隆

人体内细胞间的秘密战争

Oct 22, 2019 No Comments

人体内细胞间的秘密战争2

 

 

为了对抗癌症和衰老,生物学家正在研究细胞如何驱逐、杀死或吞噬不太适应体内环境的竞争对手。

日本札幌北海道大学(Hokkaido University)的癌症生物学家Yasuyaki Fujita亲眼目睹了当细胞揭下礼貌的假面,展示真实面目时的情景。当他在一个培养皿中激活一个名为Ras的致癌基因时,他意识到了微观世界的残酷。Fujita希望看到癌细胞扩散,并在邻近的细胞中形成肿瘤。他指出,这些整洁有序的邻居细胞用纤维蛋白武装自己,开始“戳、戳、戳”。Ras基因激活的细胞被正常细胞团体淘汰了,实际上是被隔壁的细胞排挤了出去。

在过去20年里,类似的发现层出不穷,揭示了细胞水平上的争吵、争斗和全面战争。这就是所谓的细胞竞争(cell competition)。细胞竞争有点像物种间的自然选择,更健康的细胞胜过不那么健康的细胞。这种现象可以作为生物体发育过程中的质量控制,作为对癌前细胞的防御,以及作为保护皮肤、肠道和心脏等器官的关键环节。细胞用各种各样的方法来消灭它们的对手,从把它们踢出组织到诱导细胞自杀,甚至吞噬它们并分解它们的成分。观察结果表明,组织的发育和维持比以前认为的要混乱得多。纽约市西奈山伊坎医学院(Icahn School of Medicine)的干细胞生物学家Thomas Zwaka表示,这是对一套预先设定好的规则的根本性背离,这些预定规则原本像时钟一样运行。

但是,关于单个细胞如何识别周围细胞的弱点,并对其采取行动还存在诸多疑问。实验室一直在努力寻找——并争论——健康的潜在标记,以及它们是如何引发竞争行为的。这些机制可以让科学家控制这一过程,或者帮助它向前发展,这可能会推动更好的抗癌疗法的开发,以及推动再生医学在抗疾病和抗衰老中的作用。

英国布里斯托尔大学(University of Bristol)的细胞生物学家Eugenia Piddini指出,现在细胞竞争是全球性的研究课题,科学家越了解细胞竞争,就越有可能将其用于临床治疗。

 

历史重演

今年2月,一场暴风雪带来了30多厘米的降雪,来自大约12个学科的生物学家聚集在加州塔霍湖的一家酒店里,召开了第一次专门讨论细胞竞争的大型会议。

会议的共同组织者Zwaka表示,本次会议就像是研究者的动物园,来自各个领域的研究者齐聚一堂。其中有研究扁虫(可以从一个细胞再生出整个身体的一种动物)的科学家、试图跨物种嵌合体小鼠、猴子和兔子的胚胎遗传学家,还有一位介绍细菌社区中可怕的战斗和合作活动的主讲人。

被雪困住的与会者总共约有150人,他们讨论了细胞如何以及为什么要提高自己的竞争力,并共同庆祝这一领域取得的诸多进步。

1973年,两位博士生Ginés Morata和Pedro Ripoll,正在完善一种追踪果蝇幼虫中各种细胞群的方法,这些细胞最终会发育成翅膀。他们就职于西班牙国家研究委员会(Spanish National Research Council)位于马德里的生物研究中心(Biological Research Center)。在那里,他们将一种名为“Minute”的突变基因注入幼虫体内的几个细胞,而其余细胞则保持不变。

科学家知道注入Minute(意思是微小)基因的细胞生长速度比未改变的相邻细胞要慢,因此他们预期能在野生型细胞群中找到比较小的Minute细胞。但是,现在是西班牙马德里自治大学(Autonomous University of Madrid)的发育生物学家的Morata表示,相反,他们发现Minute细胞消失了。

单独存在时,Minute细胞可以发育成正常的果蝇——只是发育而成的果蝇的刚毛短且薄,Minute基因因此得名。但当其与幼虫中的野生型细胞混合时,Minute细胞就消失了。Morata表示,Minute细胞无法与更活跃、代谢更旺盛的野生型细胞竞争。他们把这种活动称为细胞竞争。Morata指出,这是一个非常令人惊讶和有趣的观察结果。但由于缺乏更密切地跟踪细胞命运的分子工具,他和他的同事只能浅尝辄止,不再继续深挖机制。

26年后,博士后Laura Johnston和Peter Gallant观察到几乎相同的现象。他们分别与弗雷德·哈金森癌症中心(Fred Hutchinson Cancer Center)的Bruce Edgar和Robert Eisenman合作,研究另一种果蝇基因——Drosophila MycdMyc)的突变。

Johnston现在是纽约市哥伦比亚大学医学中心(Columbia University Medical Center)的发育生物学家。他们最终证明,突变细胞被迫启动一种被称为凋亡的程序性细胞死亡过程。很明显,这是一个竞争激烈的局面。

Johnston等人1999年的论文引起了包括Morata在内的科学家的兴趣。Morata又和Eduardo Moreno一起加入了争论,他们利用现代分子工具重复了Minute实验。Johnston表示,这个领域由此开始飞速发展。

Myc是细胞生长的主控制因子,而Minute则编码合成蛋白质所需的关键成分——因此,这些蛋白质的表达减少会导致细胞相对不适应体内环境,这并不奇怪。但Johnston的下一个发现让人们大吃一惊。她证明了多复制一个正常dMyc的细胞比野生型细胞更有竞争力。这些比野生型更健康的细胞被称为“超级竞争对手”。

Zwaka指出,Johnston的超级竞争的发现强调了细胞竞争是关于一组细胞的相对适合度。如果一个细胞落后了,整个邻居群体可能会决定剔除这个落后细胞。但另一方面,它们也能感觉到某些细胞更强壮,应该能存活下来。

细胞竞争不仅仅是消除缺陷;更是适者生存,不太适应的“输家”细胞死亡,而“赢家”细胞增殖。重要的是,只有当基因不同的细胞混合在一起时,才会出现竞争,这种现象被称为嵌合现象。这样,细胞竞争就像一个质量控制系统,在发育过程中清除不需要的细胞。

 

生死之战

Fujita对Ras基因突变的癌细胞的观察是哺乳动物细胞之间也存在竞争的最早迹象之一。这项研究发表后不久,研究人员陆续观察到在其他各种组织类型,如皮肤、肌肉和肠道中也存在通过细胞竞争来清除突变细胞的过程。

下一个细胞竞争最明显的地方是哺乳动物的胚胎。2013年,Zwaka的团队和另外两个实验室对处于发育早期的小鼠胚胎进行了研究,这些胚胎刚刚发育到超过一个细胞球的大小。Zwaka的研究小组制造了小鼠胚胎干细胞(embryonic stem cells, ESCs),它带有一种超级竞争突变,可以降低p53的表达。p53是一种重要的质量控制蛋白,通常会抑制细胞分裂。当这些细胞被植入小鼠胚胎时,具有竞争优势,迅速增殖,最终发育成正常的小鼠。类似地,位于马德里的国家心血管研究中心(National Center for Cardiovascular Research)的Miguel Torres实验室表明,利用小鼠Myc基因的轻微过表达,可以在早期小鼠胚胎中诱导超竞争。

通过人工创造输家或赢家,研究人员可以迫使细胞竞争发挥作用。但是Torres的团队,由当时的博士后Cristina Claveria领导,也发现了Myc在小鼠ESCs中的自然突变。胚胎中Myc蛋白的表达量仅为邻近细胞Myc蛋白表达量的一半的细胞死于细胞凋亡。这是第一个强烈指出自然产生的细胞竞争的研究之一。

 

塑造组织

这种现象在胚胎发育的后期也会出现。在今年发表的一项研究中,纽约市洛克菲勒大学(Rockefeller University)Elaine Fuch实验室的博士后Stephanie Ellis观察了小鼠的皮肤。在发育过程中,小鼠的表面积在大约一周内扩大了30倍。细胞在里面疯狂地增殖——起初是单层,后来是多层。

Ellis给小鼠胚胎注射了一种混合物,它能把细胞变成基因失败者。当胚胎皮肤只有一层厚度时,她瞄准了一些细胞,并添加了一个标记基因使它们发出红光。然后,她用延时成像技术观察它们的悲惨命运:皮肤细胞从表层冒出来、分裂并消失。后来,她注意到赢家细胞吞噬并清除失败者的尸体。

在多胚层阶段重复这个实验的过程中,Ellis就没有再看到突变皮肤细胞死亡或被吞噬的现象。相反,失败者细胞倾向于分化并迁移到皮肤的外层——在那里,它们在脱落前短时间内充当屏障。获胜细胞更有可能作为干细胞留在底层。

这是有道理的。Ellis指出,杀死一个细胞在能量上是很昂贵的。一个正在发育的组织可能会决定:为什么不通过分化来去除失败者呢?Emi Nishimura在日本东京医科和牙科大学(Tokyo Medical and Dental University)的实验室发现,在衰老的成年小鼠尾巴皮肤中,与突变细胞竞争的干细胞使用了相同的不对称分裂模式,以清除一种关键结构胶原蛋白表达较低的突变干细胞。

这些实验可以为科学家利用干细胞来恢复衰老组织和器官提供指导。细胞间的竞争可能有助于,或有害于这类疗法:干细胞可能比那些较老的、不太适应环境的细胞更有竞争力,或者它们在移植到组织中时可能会遇到不友好的环境。了解细胞竞争是否以及如何在成人组织中发生有助于解决这个问题。

Piddini承认,她对这个想法有点着迷,她的团队是证明细胞竞争确实发生在成年生物体中的众多实验室中的一个。她表示,为了验证这个想法,研究小组“从基因上”将RPS3的突变拷贝“撒”到成年果蝇的肠道细胞中,RPS3是一种与Minute功能相关的基因。带有突变副本的细胞被它们的野生型对手击败。不管输者是维持肠道的干细胞还是分化的细胞,最终都会死亡。

Torres实验室的高级博士后Cristina Villa del Campo在小鼠心脏上进行了细胞竞赛的测试,方法是在8至10周龄的小鼠中引入具有生存优势的心肌细胞。在一年里,她追踪了赢家细胞和野生型输家的数量,发现输家数量减少了40%。

Villa del Campo指出,这是一个缓慢的替代,但即使是高度分化的功能成熟细胞也能感知到不太适应环境的心脏细胞,并将其清除。

 

悬而未决的问题

即使有如此多的细胞竞争的例子在不同的条件下进行,这个领域仍然面临着大量的未解问题。一个大难题是群体中的细胞是如何感知适应性的。Fujita补充,也许细胞正在识别化学差异、物理差异或细胞膜成分的差异,实验室已经发现了这三种差异的证据。

他之前关于Ras基因激活的细胞被正常细胞清除的实验表明,细胞与细胞的接触是必要的。另一些人则看到了化学适应信号,这种信号似乎是短距离的,传播的细胞直径可达细胞直径的8倍。究竟是哪些分子负责这种信号——无论是分泌的化学物质还是物理标签——都是倍受激烈辩论和研究的主题。

Johnston和Zwaka都发现了与免疫监视相关的信号。Johnston的研究小组发现了一种分子,这种分子通常被称为免疫细胞,会蜂拥而入并吞噬外来入侵者,并导致失败者死亡。正常细胞在任何时候都表现出低水平的死亡信号。但在一个竞争的组合中,胜利者向它们的失败者邻居发出大量的信号,迫使它们自杀。

Zwaka提出,细胞可以通过嗅出细胞释放的一般信号或碎片来评估彼此的健康状况。这就好比你闻到你的邻居正烤着牛排,然后得出结论,他们一定吃得很好。

Moreno现在在葡萄牙里斯本的查姆帕利莫德未知中心(Champalimaud Centre for the Unknown)运营自己的实验室,他们发现了一种名为“Flower”的跨膜蛋白质。在人类中,这种蛋白质可以有四种形式,每一种都在细胞外表面显示出自己特有的结构。Moreno指出,其中两个Flower结构传递的是“我是赢家”的信号,另两个则传递“我是输家”的信号。

一些人类癌细胞会发出赢家型Flower的信号,这可能会提高它们的存活率。在Moreno的实验室里进行的实验表明,让肿瘤上的赢家型Flower信号消声,会减慢细胞的生长,使它们容易受到化疗的影响。

然而,一些研究人员质疑Flower标签的重要性。Moreno承认,Flower标签并不存在于所有细胞竞争中。

 

健康的竞争

如果研究人员想要利用细胞竞争来改善基于细胞的癌症或再生疗法,破解竞争机制将是关键。

一些迹象表明,细胞间的竞争可能已经预防了癌症。过去几年的研究结果表明,人类皮肤、食道和肺细胞显示出高度的嵌合现象。例如,大约四分之一的皮肤细胞含有许多癌前突变,而这些突变很少转化为肿瘤。

研究人员尚不清楚是什么原因使癌细胞在肿瘤形成时具有优势。如果研究人员能够学会如何打压超级竞争对手或削弱癌细胞的竞争能力,他们或许能够将这种能力转化为对抗癌症的能力。

相反,如果干细胞要替代老化或病变的组织进行器官改造,它们可能需要获得竞争优势。Villa del Campo表示,临床医生已经在考虑如何增强病人来源的心脏干细胞,以有效地替换因心脏病发作或疾病而受损的细胞。

细胞竞争这个领域一开始只是对Minute果蝇幼虫进行简单的观察,现在已经揭示了细胞之间的原始斗争,这可能会开启细胞医学的新时代。这个过程让科学家议论纷纷,但它仍然很神秘。

Morata指出,细胞竞争可能是去除不应该存在的细胞的一般过程。

现年74岁的他很高兴自己40多年前搁置的工作能重获生机,细胞竞争也越来越受关注。这真是令人兴奋。

 


原文检索:
Kendall Powell. (2019) These secret battles between your body’s cells might just save your life. Nature, 574: 310-312.
张洁/编译

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