2014年发表在CELL上的综述文章：重新思考分化：干细胞、再生和可塑性
Rethinking Differentiation: Stem Cells, Regeneration, and Plasticity | Cell

下部分翻译如下：

细胞命运的可塑性

如果发育是从受孕到死亡的连续过程，那么重要的是要问细胞“功能成熟”或“分化”意味着什么。现代细胞分化概念的起源可以追溯到奥古斯特·魏斯曼 (August Weismann, 1893) 的有影响力的著作《生殖质理论》(The Theory of the Germ Plasm) 。 Weismann 提出的概念是在胚胎发生早期产生了两种细胞类型：一种将个体的遗传信息传递给下一代（性腺中的生殖细胞），另一种产生有机体中的所有其他细胞类型（体细胞）。这意味着，随着体细胞的发育，它们的分化能力逐渐和不可逆转地受到限制，以至于每个细胞只能分化成单一的特定细胞类型（例如肌肉、神经元、上皮细胞等）。从一开始，这一概念就受到再生研究的挑战，在再生研究中，新组织是由预先存在的细胞生成的，根据魏斯曼的理论，由终末分化细胞生成，魏斯曼在他的书中为此主题专门写了一个完整但没有结论的章节（Weismann，1893）。

有趣的是，已有的数据表明，能够产生躯体的胚胎细胞的发育能力并不受限制，而魏斯曼本应该很容易获得这种工作。这项工作涉及对管水母胚胎的研究，并于1869年由恩斯特·海克尔(Ernst Haeckel, 1869)发表。虽然传统上被认为是Roux和Driesch的研究成果(Gilbert, 2013)，但海克尔发现，被切除的Siphonophore胚胎片段可以产生完整的幼虫(Haeckel, 1869)(图3)。尽管这篇论文被科学家和大多数科学历史学家广泛忽视(一个显著的例外情况见Richards[2008])，但它是胚胎细胞多能性的首次明确证明，比Roux和Driesch的研究早了近30年。

图 3. 管水母细胞中芽胞的多能性演示
将管水母幼虫分成两半（图 73 和 74 ）。物理分离几小时后，相同的幼虫减半（图 75 和 76 ）。解剖后 8 天幼虫分成三份（图 77、78 和 79）。图77和79显示了发育出气囊和息肉（图77）和正常、完整的幼虫（图79）。最后，图 80、81、82 和 83 说明了将虹吸管幼虫四等分的结果，只有 83 正常发育（Haeckel，1869）。

最终，提出了其他实验证据，表明细胞的发育命运确实具有很大的可塑性。使用不同色素的水螅(图4)，埃塞尔·布朗(Ethel Browne)描述了当将口(下口)组织移植到另一只水螅的体壁时，如何在移植部位产生“必要的刺激，促使新的水螅发育”(Browne Harvey, 1909)。后来，在Hans Spemann实验室工作的研究生Hilde Proescholdt Mangold在青蛙胚胎上进行了类似的实验，她将胚孔唇的一片移植到另一条远离宿主胚孔的原肠的侧翼，从而产生了次级体轴(Mangold and Spemann, 1924)。总之，海克尔、布朗、普罗伊斯肖特等人的实验(Lewis, 1904; Spemann, 1901)的结论表明，胚胎细胞的命运是可逆转的，它们的分化程序可以通过实验重新编程。

图 4. Ethel Browne Harvey 的开创性工作，展示了移植组织重新编程宿主细胞命运的能力
这张图片是从原作(Browne Harvey，1909年)复制的，它展示了在水螅的有色(绿色)和非有色品系之间移植不同身体部位的特殊结果。(42)绿色水螅中间有开口的白色触手的嫁接物。(43)绿色水螅脚上带有开口的白色触手的移植物。(44)白色水螅的绿色触手的移植物，没有开口。(45)白色水螅绿色体组织的移植物。(46)白水螅中绿水螅的嫁接。(47)白水螅中绿脚的嫁接。(48)嫁接在白色水螅上的绿色组织的反向环中的异形

同样有趣的是，这种可塑性不仅限于胚胎细胞。1891年，Colucci报道了在晶状体全摘除后，水貂的晶状体再生能力(Colucci，1891)，并在1895年，Wolff证明再生晶状体的来源是虹膜背部有色素的上皮细胞，这提供了第一个活体成年细胞重编程的例子(Wolff，1895)。随后的研究表明，着色的背侧上皮细胞必须重新进入细胞周期并去分化，才能发生晶状体再生(Eguchi and Shingai，1971；Reyer，1977；Yamada，1977)。最近，在涡虫身上显示，在没有干细胞的截肢片段中的有丝分裂后组织可以重新编程它们的基因组输出，并表达(Reddien等人，2007年)和抑制(Gurley等人，2010年)模式信号。这种调制是必需的，以允许被截断的碎片剧烈地重新排列先前存在的组织，以产生具有适当异速生长比例的器官系统的完整补充。这些观察表明，分化细胞中的重编程机制必须存在，以允许调节涡虫体模式的信号蛋白表达位点发生快速变化。

最值得注意的是，完整的成体生物可以通过有待阐明的重编程机制完全恢复到幼虫状态(图5)。据报道，在热、化学、物理压力或仅仅是老化(衰老)的情况下，水螅虫物种Turritopsis dohrnii, Turritopsis nutricola, Laodicea undulate 和 Podocoryne carnea以及可能更多的物种(Piraino等人，2004年)通过将成体状态回复到幼年、早期发育阶段来恢复其生命周期(Carlaèt al., 2003;Piraino et al., 1996; Schmich et al., 2007)。水螅虫以及涡虫和蝾螈去分化的这种巨大的潜力，提供了独特的实验范式来理解基因表达的调节网络及其伴随的细胞行为如何控制个体发育的方向性，即正常与反向发育，以及细胞“分化”意味着什么。

图 5. 据报道能够逆向发育的动物
(A) Turritopsis dohrnii（灯塔水母）。 (B) Laodicea undulate（劳迪西亚斑纹水螅）。图片来自Alvaro E. Migotto 。

细胞重编程

分化状态的体内可塑性可以通过直接操纵细胞及其环境来人工诱导。Holtfreter (1947)在20世纪中期报道了一个环境扰动导致细胞命运变化的显著例子。在这些实验中，将原本要形成皮肤的青蛙细胞在接触低pH值的溶液时会发育成脑组织(Holtfreter，1947)。然而，第一次尝试直接和特异性地对细胞进行重新编程涉及到将较老的分化细胞移植到较年轻的未分化细胞中。这个概念首先由汉斯·斯佩曼(Spemann，1938)提出，但通过Briggs和king耐心和开创性的工作取得了成果，他们开发了将囊胚细胞核移植到去核青蛙卵母细胞中的方法(Briggs和King，1952)。这一成就很快被John Gurdon的工作所继承，他扩展了这一方法，将青蛙肠中的细胞核移植到卵母细胞中，并产生克隆的、体细胞衍生的成年青蛙(Gurdon等人，1958)。随着我们对导致细胞定型和分化的分子过程的了解增加，不通过移植细胞核而是通过将基因功能引入细胞来重新编程细胞成为可能。Harold Weintraub出色地完成了这一工作，他和他的团队优雅地证明了用单一转录因子(在这种情况下为MyoD)转化成纤维细胞、色素细胞、神经细胞、脂肪细胞和肝细胞足以将这些细胞推入肌源性发育途径(Tapscott等人，1988；温特劳布等人，1989年)。

这些工作为2006年iPSCs的产生铺平了道路(Takahashi and Yamanaka，2006)。通过同时引入四种转录因子——即Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc——小鼠成纤维细胞被转化为与胚胎干细胞几乎相同的细胞。通过培养囊胚的内细胞团，小鼠ES细胞最初是由马丁·埃文斯(Evans and Kaufman, 1981)和盖尔·马丁 (Martin, 1981)于1981年提出的。这种胚胎干细胞可以无限增殖并同时保持多能性。体细胞可以通过少数转录因子完全恢复到胚胎状态的意外发现很快导致信号通路的化学操纵以重新编程细胞(Hou et al., 2013; Li et al., 2009)以及发现因子介导的胰腺外分泌细胞向β细胞（Zhou et al., 2008) 和成纤维细胞向其他细胞谱系的转化，如神经元(Vierbuchen等，2010)、肝细胞(Sekiya和，2011)和心肌细胞(Ieda等，2010)。

通过干扰细胞的环境或人工改变其基因组输出来对细胞进行重新编程是可能的，这一事实表明分化状态的可塑性可能不限于简单的动物，并且去分化程序可能比目前大多数人认为的更普遍，并且在所有动物(包括人类)中分布更广。最近对老鼠的研究表明情况可能是这样的。当白细胞暴露于低pH值的溶液时，细胞去分化并开始表达早期胚胎典型的基因标记，这种现象称为刺激触发的多能性获得(STAP) (Obokata等人，2014b)。同样值得注意的是，当注射到胚胎中时，STAP细胞产生嵌合体——这一特性以前被认为是胚胎干细胞和iPSCs的专属领域(Obokata等人，2014a)。然而，虽然同时出乎意料和耐人寻味，这些结果等待独立的证实。（注：后来已证实小保方晴子等人进行了学术造假）

STAP 现象如果得到证实，可以解释一系列关于成年哺乳动物体内多能干细胞存在的争议性发现。 2001 年，Verfaillie 及其同事报道了通过选择特定的表面标记和在特定培养条件下扩增获得的细胞的组合，从成人骨髓中分离出多能干细胞。他们将这些细胞 MAPC 命名为多能成体祖细胞（Reyes 和 Verfaillie，2001）。随后，随着这些发现的报道，可以通过将小鼠 MAPC 移植到囊胚中来产生嵌合小鼠（Jiang 等，2002）。然而，这项工作遭到了怀疑，因为它只能在少数实验室中复制。最近，其他小组报告了从成人人体组织中分离多能干细胞的情况（Heneidi 等人，2013；Kuroda 等人，2010；Obokata 等人，2011；Roy 等人，2013）。值得注意的是，Desawa 和 Chazenbalk 实验室表明，多能干细胞（他们将其命名为多向分化压力持久（muse）细胞）可以来自长期暴露于胶原酶、血清剥夺、低温和缺氧的人体体组织并认为 Muse 细胞已经存在于正常成人体内，但在严重细胞应激条件下优先扩增（Heneidi 等人，2013；Kuroda 等人，2010）。尽管 Muse 和 STAP 程序非常相似，但 STAP 论文提供了不同的解释——本质上，哺乳动物组织的成体多能干细胞，在以前的工作被认为是预先存在的干细胞，其实有可能是在隔离和培养中由应激诱导的重编程产生的。因此，在自然界中，对于许多细胞和许多生物体而言，分化状态似乎不是终末的，而是稳定的，并且在诸如损伤和疾病甚至自然衰老过程等各种环境条件下，细胞状态可以重新编程。

来自科学的技术：源自患者的干细胞和医疗应用

2007 年发现可以获得人类 iPSC ，这为大量供应多种功能性人类细胞提供了前所未有的机会（Park 等人，2008；Takahashi 等人，2007；Yu 等人，2007）。 iPSC 在医学中的一种潜在应用是细胞治疗领域。已证明移植源自 iPSC 的分化细胞可成功诱导镰状细胞性贫血（Hanna 等人，2007 年）、血小板缺乏症（Takayama 等人，2010 年）、帕金森病（Wernig 等人，Wernig 等人, 2008)）、糖尿病 (Alipio et al., 2010) 和脊髓损伤 (Tsuji et al., 2010)的啮齿动物模型的功能恢复。使用 iPSCs 的第一个临床试验将于 2014 年在日本开始，用于患有年龄相关性黄斑变性的患者，这种疾病影响到全世界至少 2500-3000 万人（WHO，2012）。

iPSC 的另一个同样重要的医学应用是药物开发。已证明源自患者的 iPSC 在提供疾病模型方面是有效的，这些模型可用于更好地了解各种疾病机制并筛选化学物质和天然衍生物以开发有效的药物（Inoue 等，2014）。令我们惊讶的是，疾病表型已通过患者衍生的 iPSC 进行了概括，这些 iPSC 不仅来自早发单基因疾病，还来自多基因晚发疾病，例如散发性阿尔茨海默病（Kondo 等，2013）。此外，人类体细胞，如心肌细胞和肝细胞，可用于预测候选药物的毒性（Guo 等人，2011；Medine 等人，2013）。因此，iPSC 技术有望在未来几年彻底改变药物发现的过程。

最近，视网膜 (Eiraku et al., 2011) 和垂体 (Suga et al., 2011) 以及大脑的各个方面 (Lancaster et al., 2013) 的三维结构在体外由小鼠胚胎干细胞自组织。此外，通过移植人 iPS 细胞衍生的肝细胞、内皮细胞和间充质干细胞的混合物，在小鼠中产生了血管化的人肝脏（Takebe 等人，2013 年）。这些新策略进一步拓宽了 iPSCs 细胞在新兴和快速发展的再生医学、疾病建模和药物开发领域的潜在适用性。

结论：关于打破规则

在生物学中，特别是在进化中，规则是用来打破的。大多数（如果不是全部的话）进化的进步都源于对预先存在的规则的打破。例如，从单细胞到多细胞、从固着到运动、从水生到陆生动物的进化，需要打破既定的规范，以出现新的生命形式和生活方式。违反规则的生物将生活扩展到最初看起来不适合居住的新领域。反过来，这些生物本身将进化出一批新的破坏者，这些破坏者将继续将生命的范围扩大到以前无人居住的领域。如果违反规则和生命的延续一样重要，那么自然必须有大量的破坏规则的人。对于生命的延续来说，就像简单地遵循它们一样重要，自然中一定有很多打破规则的人。因此，不难想象，我们希望从中提取出控制复杂生物现象的规则和原则，但我们所选择进行深入研究的数量很少且几乎随意的物种，可能会把我们对生物学的理解限制在一组相对狭窄的属性中。

在过去15年里，对干细胞及其潜能的研究对我们理解生物学，特别是发育产生了重要的影响，迫使我们重新思考细胞和组织的分化意味着什么。这一努力不仅带来了对发育生物学关键原理的新研究，如胚胎发生和成人生理功能期间的基因组和表观基因组输出的调节，而且还为旨在解决广泛的人类疾病的治疗策略的发展提供了新的范式。越来越清楚的是，终末分化的概念虽然在概念上有用，但在生物学上并不准确。被接受的分化规则每天都在被自然界打破，很有可能更多这样的规则可能只是建议，而干性、决定、生物时间和时间顺序（stemness, determination, and biological and chronological time）等概念最终将被重新审查和重新定义。

例如，稳定而非终末分化的概念应该让我们重新审查当前旨在分化人类多能干细胞的策略。尽管近年来从人类多能干细胞中生成功能完整的成熟细胞类型取得了显著进展，但这一过程仍然是一个重大挑战。细胞的分化状态可能不是终末的，而是稳定的，这一想法强调了识别维持稳定分化细胞状态的环境因素的重要性，这是一个尚未被广泛探索的方面，可能提供从人类多能干细胞生产完全功能成熟细胞类型的新解决方案。我们相信，在未来的岁月里，会有更多的概念教条受到挑战，我们对生命的认识以及由此产生的对复杂生物系统的理解的进步，会看到更多的规则被实验事实打破。这可能会受到干细胞、基因调控、组织稳态和寿命等研究新范式的发现的推动。我们预测，40年后，生物学可能会成为一个与今天相比几乎无法辨别的领域。