Stem Cells：干细胞不同寻常的“利他”行为

　　

生物通报道  当大多数哺乳动物细胞群面临营养和氧短缺时，它们会更倾向于选择“人人为我”而非“我为人人，人人为我”。不同于细菌菌落通常共同协力作为一个群体旺盛生长，哺乳动物细胞从未被观察到互相帮助。然而斯坦福大学医学院的研究人员领导的一项新研究证实某些人类胚胎干细胞在处于压力之中时，生成的分子不仅有利于自身，还可以帮助附近的细胞生存。这篇发布在6月11日《干细胞》（Stem Cells）杂志上的论文证实了人类胚胎干细胞（hESCs）的利他行为。

文章的主要作者、斯坦福大学博士后学者Bikul Das 说：“利他行为曾被报道存在于细菌群体、人类和诸如猴子和大象等其他动物中。然而在哺乳动物细胞中——在细胞水平上——过去从来没有描述过利他主义的概念。”

尽管利他主义被普遍认为是一种美德，对于hESCs却存在一个不利之处：利他的细胞似乎更容易累积突变，这是它们可能导致癌症的一个标志。更好地了解hESC的利他行为将提供关于癌症治疗的新认识，提高科学家们开发针对其他疾病的安全有效干细胞治疗的能力。

这些研究结果是Das在对低氧环境下hESCs的反应机制进行研究中获得的，它非常的重要是因为许多的恶性肿瘤氧含量都很低。胚胎干细胞可以通过一个称为分化的过程形成许多不同的细胞类型。Das发现当将hESCs在千分之一的氧环境中放置24小时（相比较，我们呼吸的空气是21%的氧），会生成自由基分子开始引起某些细胞的内部损伤。90%的hESCs分化为其他的细胞类型或是死亡，只有10%的维持它们所谓的“干性”（ stemness），这意味着它们保留了形成所有类型细胞的能力。

Das想知道是什么区分开了更健康的细胞，并开始基于它们包含的分子将其进行分选。

Das和同事们发现能够在缺氧情况下生存的胚胎干细胞，一半均有高水平的HIF2-alpha（一种增进抗氧化分子生成的蛋白）和低水平的p53（一种在细胞有太多DNA损伤时正常情况下促进细胞死亡的蛋白质）。Das证实高水平HIF2-alpha和低水平p53时通过关闭通常与分化过程相关的细胞信号通路从而阻止了细胞分化。

而另一半的维持“干性”的干细胞则具有相对正常的HIF2-alpha和p53水平。目前对于这些细胞在缺乏高水平HIF2-alpha和低水平p53的情况下如何保持未分化尚没有明确的解释——除非有其他的细胞正在帮助它们。

“但我看到这一数据时，我开始怀疑也许有利他行为在持续，”Das说。

为了测试这一理论，Das和他在多伦多大学的同事们将具有高水平HIF2-alpha和低水平p53的细胞浸入在细胞培养液中培养24小时。然后，他移除这些细胞，添加另外一半——那些不具有高水平HIF2-alpha和低水平p53的细胞。果然，当混合物缺氧时，细胞维持了它们的干性。培养液中一些分子具有的某些特性使得它们不发生分化。研究小组发现液体中这种重要的分子是一种称为谷胱甘肽的抗氧化剂。

科学家们过去曾证实当胚胎干细胞处于压力下时，HIF2-alpha和 p53 水平增高，大部分细胞分化或死亡。使得这一研究不同寻常的是Das和同事们能够分离出的这些显示低水平p53的利他细胞，帮助它们逃避了死亡或分化。

而最为重要的是，Das发现当hESCs面临压力时，p53随着时间以一种设定模式波动。干细胞根据p53在周期中的水平（高或低），来终止它们的正常细胞周期，顺着三条途径其中之一往下发展：它们或是分化、死亡或是修复DNA中的损伤从而能够继续存活。虽然并非所有的细胞同时循环，它们却都跳着同样的舞蹈。

Das说：“当我们知道发生了这些波动时我们并不理解其原因。并没有其他参与细胞内部修复机制的蛋白已知像p53一样波动。”

然而新发现帮助解释了它的重要性，他说。只有在波动的一个特殊的点——在任何指定时间影响了大约5%的细胞——hESCs才保持其干性，分泌足够的谷胱甘肽帮助它们的邻居维持干性。如果p53水平同时在所有细胞内是相同的话，整个干细胞群就会立刻分化或死亡，未来不再会有干细胞留下生成新细胞。因此，p53的波动确保了一些在某一特定时刻具有低水平p53的hESCs在压力过程中维持了干性。这解释了为何只有某些细胞利他的原因。

过去从不知道p53波动与干性之间的这种联系。了解它可以帮助到那些操纵干细胞用于疾病治疗的科学家们；这些科学家们需要这些在机体有效维持干性的细胞。

p53抑制干细胞的不利之处在于突变可能会在细胞内累积而不引起细胞死亡。而突变累积是导致癌症的原因。

Das 猜测：“从进化上，这就是为何在压力之下并非所有细胞都抑制p53的原因。就基因组稳定性而言这太过危险。”

当Das研究小组将具有高水平HIF2-alpha和低水平p53的hESCs注入到小鼠体内，相对少数的利他细胞触发形成了畸胎瘤。Das说这是一个飞跃假定它解释了人类癌症形成的机制，它表明了一个理论：在低氧环境中小部分的细胞停止在高HIF2-alpha/低p53状态，开始累积突变，其中一些最终导致了癌症。

Das和同事们现在正研究这种帮助hESCs在低氧中生存的利他效应是否同样适用于成体干细胞，它们处于更加分化的状态。尽管这些干细胞没有分化为机体内所有细胞的能力，它们却保留了形成几种类型细胞的能力。

“我们想看看利他行为是否是适应于骨髓和血液干细胞，相比胚胎干细胞它们从伦理学上更适合未来的干细胞治疗，”他说。这或许还需要科学家们用多年的时间去充分理解利他行为对于干细胞的影响。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

HIF-2α Suppresses p53 to Enhance the Stemness and Regenerative Potential of Human Embryonic Stem Cells†

Human Embryonic Stem Cells (hESCs) have been reported to exert cytoprotective activity in the area of tissue injury. However, hypoxia/oxidative stress prevailing in the area of injury could activate p53, leading to death and differentiation of hESCs. Here we report that when exposed to hypoxia/oxidative stress, a small fraction of hESCs, namely the SSEA3+/ABCG2+ fraction undergoes a transient state of reprogramming to a low p53 and high HIF-2α state of transcriptional activity. This state can be sustained for a period of two-weeks and is associated with enhanced transcriptional activity of Oct-4 and Nanog, concomitant with high teratomagenic potential. Conditioned medium (CM) obtained from the post-hypoxia SSEA3+/ABCG2+ hESCs showed cytoprotection both in vitro and in vivo. We termed this phenotype as the “enhanced stemness” state. We then demonstrated that the underlying molecular mechanism of this transient phenotype of “enhanced stemness” involved high Bcl-2, FGF-2 and MDM2 expression, and an altered state of the p53/MDM2 oscillation system. Specific silencing of HIF-2α and p53 resisted the reprogramming of SSEA3+/ABCG2+ to the “enhanced stemness” phenotype. Thus, our studies have uncovered a unique transient reprogramming activity in hESCs, the “enhanced stemness” reprogramming where a highly cytoprotective and undifferentiated state is achieved by transiently suppressing p53 activity. We suggest that this transient reprogramming is a form of stem cell altruism that benefits the surrounding tissues during the process of tissue regeneration.