干细胞居然是你身体里的抗癌能手（上）：发现“永生”的DNA
2022/8/9 7:00:00 科学大院

    

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     编者按：

     由于DNA复制时会发生突变，一般认为“细胞分裂越多越容易患癌”，但是有一种特殊的细胞，可以让其中的DNA不会因复制而突变，这种“身体里的抗癌能手”就是干细胞。

     干细胞这种能力是怎么被发现和确定的？我们将用两篇文章跟你讲述这个故事。

     关于癌症发生率的困惑

     早在上个世纪60年代，英国科学家John Cairns(1922-2018)就发现了一个令人困惑的问题：癌症发生率和细胞分裂次数之间不相匹配。

     例如血液细胞、皮肤细胞和小肠绒毛细胞都是生命周期很短的细胞，必须有细胞不断分裂来替补它们，这就给DNA序列的变化提供了大量的机会，在这些细胞中发展出癌细胞的几率也应该比较高，但是多数人在其一生中并不会患血癌(如白血病)、皮肤癌和小肠癌。

     其中最令人不解的是小肠绒毛细胞。由于处在非常恶劣的环境中，包括小肠蠕动引起的机械摩擦，来自消化道上部的各种消化液，以及大量的肠道细菌，这些细胞一般只能存活两、三天，需要不断地得到补充。小肠的长度占整个消化道长度的75%左右，黏膜面积更占消化道黏膜总面积的90%，但是小肠癌的例数却只占消化道癌总数的1%。

     Cairns 的这个疑问是有道理的：DNA是生命的“设计蓝图”，规定生物体如何形成和运作。DNA序列的改变相当于对设计图进行修改。在一些情况下，这些修改是有益的，使生物能更好地适应环境，并且通过自然选择进行演化；但是在许多情况下，这些修改的后果却是有害的，其中包括使动物体内的细胞分裂和生长失控，导致癌症。

     DNA序列变化的一个重要原因是细胞在分裂前必须要复制DNA。这个过程不是100%准确的，而是会有一些误差。细胞分裂的次数越多，DNA积累的变化也越多，按理说癌症发生的几率也应该更大，但是在动物组织中观察到的事实却与这个推理不相符。

     动物的组织如此，不同动物之间癌症的发生率也和细胞分裂次数不相符。例如大象和鲸鱼的身体比老鼠大得多，从一个受精卵发育成为那么大的动物，需要更多次数的细胞分裂，癌症发生率也应该比较高，但是大象和鲸鱼患癌症的几率却并不比老鼠高。

    

     理论上来说，生物的寿命和尺寸应该与癌症发生率成正比，图中红线即为理论上的癌症发生率，蓝线为观察到的实际癌症发生率(与生物尺寸无关，人类与小鼠的癌症发生率相似，为11%-25%,而大象的仅为5%)，此外，灰色剪影为鸭嘴龙，其体重与大象相近，但从化石中观察到的情况是，其癌症发生率比大象要高。

     图片来源：参考文献11

     1963年发现的干细胞(stem cells)给出了一种解释。

     干细胞理论：解释了但没完全解释

     在多细胞生物中，由于许多体细胞(somatic cells，即组成身体的细胞，如皮肤细胞、肌肉细胞、神经细胞，以别于专管繁殖的生殖细胞germ cells)的寿命远低于生物的整体寿命，在生物的各种组织中都存在少数未分化的细胞，即干细胞。它们可以进行不对称分裂，产生两个子细胞，其中一个仍然保留干细胞的特性(自我复制)，另一个是要变成体细胞的前体细胞(progenitor cell)。前体细胞可以通过分化和分裂成为新的体细胞。通过这种方式，干细胞分裂一次就可以形成许多体细胞。由于大量的细胞分裂发生在前体细胞方向上，干细胞自身的分裂次数就可以大大减少了。

    

     干细胞的不对称分裂

     图片来源：作者自制

     不过干细胞理论还不能使Cairns完全满意。由于小肠绒毛细胞替换频繁，即便是通过干细胞分裂来替补它们，据他估计在小鼠的一生中小肠干细胞也要分裂千次以上，这么多次的分裂难道不会积累出足够的DNA序列改变而引起癌变吗？

     Cairns所不知道的是，答案在当时其实已经有了，这就是上个世纪60年代，美国科学家Karl Lark(1930-2020)发现的“细胞分裂时DNA链的非随机分配”。

     DNA链非随机分配现象的发现

     许多重大的科学发现都是偶然做出的，DNA链非随机分配现象的发现也是如此。Lark最初研究的是大肠杆菌的T15^-菌株(Escherichia coli T15^-)，目的是观察细胞分裂时，DNA如何分配到子细胞中去。

     在比较好的培养液(例如以葡萄糖为营养)中，细菌生长迅速，而且每个细胞含有两份DNA。在每份DNA中，一条链是以另一条链为模板，在上一次细胞分裂时合成的，因此这两条链的“辈分”不同。对于下一次细胞分裂产生的“子”细胞来说，一条链是“父亲”辈的，另一条是“父亲”辈链的模板，也就是“爷爷”辈的。

    

     在新一轮细胞分裂前，父亲辈的DNA链和爷爷辈的DNA链会彼此分开，并且分别作为模板，合成新的DNA链。2条DNA复制会形成4条DNA，但是由于起模板作用的DNA链的辈分不同，待分裂细胞所含的4条DNA在辈分上是不一样的：两条含有爷爷辈的DNA链，两条含有父亲辈的DNA链。

     如果DNA的分配过程是随机的，子细胞中的一些就应该有两份含爷爷辈链的DNA(理论上占25%)，另一些有两份含父亲辈链的DNA(占25%)，还有一些有一份含爷爷辈链的DNA和一份含父亲辈链的DNA(占50%)。

     为了追踪不同辈分的DNA在细胞分裂时被分配到子细胞中的情形，Lark先让细胞在含超重氢(³H，即具有放射性的氚)的胸腺嘧啶的培养基中分裂，这样新合成的DNA链就会被超重氢标记。Lark再让这样的细胞在不含³H的培养基中进行分裂，让被标记的DNA链成为爷爷辈的。根据子细胞中放射性的情形，就可以知道爷爷辈和父亲辈的DNA进入了哪个细胞。

     出乎Lark的意料，大肠杆菌T15^-在分裂时的过程不是随机的。半数子细胞只有含爷爷链的DNA，另一半只有含父亲辈链的DNA，而不存在既含爷爷辈链的DNA、又有含父亲辈链的DNA的子细胞。

     真核细胞中的DNA非随机分配

     大肠杆菌是原核生物，为了确定在真核生物中是否存在这种非随机分配现象，Lark使用了小鼠胚胎组织细胞和植物根尖细胞进行了相同的放射性示踪实验。

     结果表明，无论是小鼠的胚胎细胞还是植物(蚕豆和野生小麦)根尖细胞，均有识别DNA辈分的能力，且含有爷爷辈链的DNA都进入同一个子细胞，而含有父亲辈链的DNA都进入另一个子细胞。

    

     中国科学家在人体细胞中观察到的DNA非随机分配现象，上面一行为随机分配的情况，下面一行为非随机分配情况，其中蓝色为老的DNA，红色为新的DNA

     图片来源：参考文献13

     但当Lark用海拉细胞(人的子宫颈癌细胞)和CHO细胞(仓鼠卵巢细胞)做实验时，却发现DNA在这些细胞中的分配是随机的，即子细胞并不按照DNA的辈分来接收DNA。

     这是因为小鼠胚胎和植物根尖中均富含干细胞，因而有不对称分裂现象。但海拉细胞和CHO细胞却不具备干细胞性质，也不进行非对称分裂。但这一点是Lark当时不知道的，他只是幸运地首先使用了正好富含干细胞的实验材料。

     虽然Lark做出了DNA链非随机分配的重大发现，他本人却不理解这项发现的意义，更不知道这个现象正是破解Cairns迷惑的关键。再次幸运的是，Cairns对他进行了访问，由此导致了永生DNA链(immortal DNA strand)理论的诞生。

     永生DNA链理论

     1972年，Cairns访问了当时在犹他大学工作的Lark，其间Lark向Cairns谈起他发现的不同辈分的DNA在细胞分裂时非随机分配的“奇怪”现象。Cairns意识到，这正是他所需要的结果。

     Cairns推论道，如果干细胞在进行不对称分裂时，继续保有干细胞性质的那个子细胞保留爷爷辈的DNA链，而让由父亲链为模板合成的DNA进入要分化的子细胞，到下一轮细胞进行不对称分裂时，又是保留干细胞性质的子细胞继承原来那个爷爷辈的DNA链，这样不管干细胞分裂多少次，原来那个爷爷辈的DNA链都会一直留在干细胞的后代中，不会有DNA复制产生的序列改变，这就解决了干细胞分裂导致的DNA序列改变的问题。这些爷爷辈的DNA链由于在细胞分裂过程中一直被干细胞保留，也就成为永生(immortal)的。在这里，所谓的永生是相对的，指的是DNA链在干细胞生命周期内一直存在，但它依然会随着生物体的死亡而死亡。

    

     永生DNA链理论示意图。

     图片来源：参考文献12

     带有序列变异的父亲辈链的DNA进入要进行分化的前体细胞，前体细胞一边繁殖，一边分化，最后形成新的体细胞。虽然在这些细胞中DNA序列会变化，但最终会随着体细胞被替换而替换掉，不会影响干细胞DNA。这真是一个非常“聪明”的减少癌症发生率的方法。

     在这些想法的基础上，Cairns在1975年提出了他著名的“永生DNA链假说”(Immortal strand hypothesis)。这是一个破天荒的想法，干细胞居然能够识别DNA的辈分，并且据此保留永生的DNA链。文章发表后，引起了许多人的兴趣，开始进行这方面的研究，但是也有一些人觉得难以置信：干细胞还能有这本事？随后一系列的实验证明，干细胞真有保留DNA原始文件的本事。

     究竟干细胞是怎样做到这一切？下期推送为你揭晓~

     参考文献：

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