cell 新的研究领域 干细胞龛的新概念

没有哪个多细胞动物的细胞可以在缺乏周围环境的信号及支持的情况下独自生存。要想维持特化组织的多细胞生活，组织结构就是一切，并且决定了，要想理解组织是如何发挥功能，如何维持，以及如何修复的话，位置与细胞状态的联系是十分关键的。本回顾特别关注了祖细胞和干细胞。特别强调的是造血细胞，它在自由移动与固定位置之间取得了平衡，并且是人们认为已经显示出某种精度上调节性相互作用的地方。本文回顾了经典的以及新出现的关于干细胞龛的概念，特别关注了干细胞龛的功能是如何参与肿瘤疾病的。

Introduction

生命群体中的“位置”是一个人类学概念，若不严格地应用在相互作用的细胞群体中——这种群体包括我们的身体——也可能是正确的。在疾病中，信号分子的功能，区别，响应性，以及产物，以及它们的参与程度都是有分级的。在能够了解染色质结构以及基因表达的全基因组新技术已经确定了那些规定细胞状态的分子过程的量化精度，并且精度还在不断提高时，细胞间相互作用的特征仍然有很大一部分是只能定性的。但是，细胞被引诱产生并维持组织的原理，正越来越明显地是一个遗传模型，在这个模型中，被选择的细胞亚群被修饰，或是被淘汰。以上这些例子的重要性关系到成熟的组织，以及评估组织的动态平衡和修复是如何被诱导的。因此，它们较大地展示了干细胞和祖细胞的运作方式。本回顾讨论了干细胞和祖细胞调控领域正在变化的图景，包括它们的位置，以及影响到它们的相互作用是如何参与肿瘤的演化的。

历史背景

二战出现核武器之后，放射生物学受到了特别的关注，因为保护群体免受放射暴露是一个最重要的公共健康目标。物理学家和生物学家们的联合努力包括用经典实验，以及一次才华横溢的实验第一次在实验上确定干细胞，这次实验是由生物物理学家Till和医生，细胞生物学家McCulloch完成（Becker et al.,1993；Till and McCulloah, 1961）。他们确定了单个细胞能再生由射线摧毁的组织的能力。像美国马萨诸塞州帕特森研究所这样的地方，集合了像T.Micheal Dexter这样的血液学研究者，他开发出了共培养基质作为维持离体造血干细胞（HSC）的手段，并且揭示了HSCs对骨髓中非造血性细胞支持的依赖性（Dexter et al.,1977）；Brian Lord，他支持骨髓中结构组织的观念，这一观念揭示了活体中干细胞和祖细胞的区域性（Lord et al.,1975）；而Raymond Schofield，他正式提出了干细胞龛的概念，这一概念清楚地表达了活体中，一个特异性的微环境对干细胞功能上产生的作用（Schofield，1978）。合起来，他们奠定了学术上的基础，这些基础中的大部分之后在干细胞龛生物学中得到了发展。

Schofield设计出一套理论，即干细胞被固定在一个物理位置上，在那个位置上它们受唯一的调控，没有自主性，如同传统观点提示的那样。他还很自然地认为干细胞龛有额外的功能，包括对那些分化程度较高的细胞施加影响，使其转为干细胞状态（Figure.1）。若“一个干细胞的子代细胞能位于干细胞龛中并正常运转，它自己会变成一个干细胞”（Schofield, 1978），因此提出干细胞龛可以有效驱动细胞状态。他还注意到“一个固定[在位置上]的造血干细胞可能不仅仅是一种可以获得其不死能力的工具，还可以是另一种工具，通过这种工具可以最小化突变错误的数量”（Schofiled, 1978）。一个在其干细胞龛中的细胞具有自我更新的能力，但是他假定干细胞龛有一个特征，即从一开始就阻止自我更新的自然结果，也就

是阻止从自我更新的基因损伤的积累。因此干细胞龛可以从基因上限制已经起变化的干细胞产生不断积累错误的正常造血作用。但是，正如Schofield谨慎注意到的那样，干细胞龛的概念仍然是“无证据直接表明其存在”（Schofield, 1978）。

生态学龛

Schofield“引入环境学中的假设…以解释干细胞的无限制增殖以及不能成熟”（Schofield, 1978），很清楚地将环境学的概念引用到组织生物学中。他所提到的生态学中的龛，具有一些特征，他同时代的P.J.Darlington将这些特征明确地表达为一个“在功能上增加竞争”（extended competition in action）的地方（Darlington, 1973）。在他眼中，生态学上的龛不同于“之前就存在的，有边界的鸽笼”，而更像是一个环境，在这个环境中“压力和过程”影响着其中居住者们那些相对富余的亚群（Darlington, 1972）。复杂机体中细胞龛生物学的绝大多数定义都集中于定义鸽笼成分，而现在一种更具活力的关于干细胞龛的观念正在出现，并可能赞同Schofield的观念，即龛是一个最小化突变的地方。这些特征再一次引用了生态学中龛，以及龛功能的概念。

举例来说，生态学中的龛可能被视为在一个给定环境中，决定其居民多样性的基础。这就是说，在可用的特殊营养物质以及温度都是给定的环境中，特定的条件下，其中生存的物种的范围将基于它们的相对竞争优势。环境条件固定时，有特定特性的亚群将居统治地位，竞争力淘汰则会限制亚群的多样性（Levine and HillRisLambers, 2009）（Figure.2）。这一概念解释了在一个特定的龛中所出现的平衡状况为何会多样性受限，在龛中不是最优的亚群会逐渐从居住生物群体中消失掉。但是若环境改变，将会使龛的“宽度”增加，之前不占优势亚群繁荣起来的能力增加，亚群多样性增加。之后，多样化龛的存在可能使其自身与之前被排除的亚群“共存”，多样性的增加则可能允许种群之间产生不同的竞争关系。龛的宽度是多样性的驱动者。

用于组织生物学的生态学概念

将这些概念用于组织内容物中的细胞群体，可能是思考在之前健康的组织中出现发育不良细胞及癌变细胞的一个有用的工具。若细胞生物学中龛的宽度决定了组织中克隆细胞亚群的多样性，那么应当满足这个情况：当龛发生相应变化时，组成发育不良或新生肿瘤组织的那些已发生改变的细胞会更利于生存。有证据表明细胞龛与它们支持的实质细胞间在产生异常组织方面存在协同性吗？

要检验这一问题，需要做实验，实验要求龛中细胞的变化能被很好地控制。组成细胞龛成分的细胞，对其特异亚群的修饰是有限的，这主要是因为对这些细胞特异性的定义仍然十分有限。随着微环境中“支持”细胞所起作用的令人感兴趣的研究结果的变化，这些限制也在变化。在一个尚不清楚干细胞/祖细胞是否参与进来的模型中，表达假定成纤维特异性启动子（FSP1）的基质细胞中TGF-betaⅡ受体的缺失引起胃侵袭性鳞状细胞癌，以及前列腺上皮内瘤变（Bhowmick et al.,2004）。其它研究显示诱导前列腺间叶细胞中FGF10过度表达引起前列腺腺癌，以及前列腺基质细胞中染色质再成型蛋白编码基因（Hmga2）的过度表达，并引起前列腺上皮细胞中Wnt信号途径发生改变，以及瘤变（Memarzadeh et al.,2007; Zong et al.,2012）。这些实验揭示了对间叶支持细胞的修饰可以使上皮肿瘤出现。异常的基质可以驱动实质细胞的瘤变。

环境使瘤变发生