成體干細(xì)胞代表一種空白粘土，從中模塑出無(wú)數(shù)不同的細(xì)胞和組織類型，因此對(duì)健康，衰老和疾病至關(guān)重要。在快速翻轉(zhuǎn)的組織中，例如腸道，干細(xì)胞的自我更新性質(zhì)及其對(duì)致癌突變的易感性使得研究人員假定這些細(xì)胞也是癌癥起源細(xì)胞。然而，成體干細(xì)胞相對(duì)于其分化的子細(xì)胞的稀有性使得它們?cè)跉v史上難以研究。

多年來(lái)，研究人員假設(shè)身體維持著一群突變和抗損傷的“儲(chǔ)備”干細(xì)胞，這些細(xì)胞可以作為一種休眠的儲(chǔ)庫(kù)，從中可以衍生出給定組織中的所有其他細(xì)胞。然而，研究人員對(duì)這一細(xì)胞群的確切身份發(fā)生了沖突。

現(xiàn)在，來(lái)自賓夕法尼亞大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)幫助確定了區(qū)分儲(chǔ)備干細(xì)胞和據(jù)稱具有相似特性的其他干細(xì)胞群的關(guān)鍵特征。利用單細(xì)胞基因表達(dá)分析以及其他尖端技術(shù)的研究表明，在腸道中，儲(chǔ)備干細(xì)胞是一種與所謂的“標(biāo)記保留細(xì)胞”不同的群體。人們長(zhǎng)期認(rèn)為這兩個(gè)人口是同一個(gè)。

“魔鬼在細(xì)節(jié)中，”資深作者Christopher J. Lengner說(shuō)，他是賓夕法尼亞大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)科學(xué)系的助理教授，也是賓夕法尼亞大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究所的成員。“你需要一種具有單細(xì)胞敏感性的檢測(cè)方法來(lái)解決正在研究的細(xì)胞群中潛在的異質(zhì)性，從而真正了解這些細(xì)胞是什么。現(xiàn)在我們已經(jīng)達(dá)到了這種水平的分辨率，我們可以開(kāi)始提出與諸如癌癥如何發(fā)起的問(wèn)題，這個(gè)過(guò)程始于一個(gè)細(xì)胞。“

該論文發(fā)表在胃腸病學(xué)雜志上。

冷納與該論文的主要作者李寧和Penn Vet的Angela Nakauka-Ddamba合作。Penn基因組分析核心的John Tobias; 和賓夕法尼亞大學(xué)沃頓商學(xué)院的Shane T. Jensen。

儲(chǔ)備干細(xì)胞的概念出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代中期，當(dāng)時(shí)生物學(xué)家John Cairns提出了一種被稱為不朽鏈假說(shuō)的理論。他的想法是保留干細(xì)胞通過(guò)保護(hù)DNA的“母鏈”而保持免疫突變。在理論上，在每次細(xì)胞分裂期間，只有新復(fù)制的DNA鏈被傳遞到子細(xì)胞，而母鏈由原始干細(xì)胞維持。

為了尋找證據(jù)來(lái)檢驗(yàn)這一假設(shè)，研究人員進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)，他們誘導(dǎo)干細(xì)胞摻入放射性DNA標(biāo)記，然后通過(guò)細(xì)胞分裂進(jìn)行追蹤。

“他們當(dāng)時(shí)看到的是，兩個(gè)月后仍然有罕見(jiàn)的細(xì)胞保留了這個(gè)標(biāo)簽，”Lengner說(shuō)。“他們把這個(gè)和其他一些實(shí)驗(yàn)作為不朽鏈假說(shuō)的證據(jù)。”

換句話說(shuō)，他們認(rèn)為保留標(biāo)記的細(xì)胞是保留在DNA母鏈上的儲(chǔ)備干細(xì)胞。

幾十年后，由于缺乏支持證據(jù)，不朽鏈假說(shuō)失去了青睞，但科學(xué)家們通過(guò)注意到它們可能只是很少分裂的干細(xì)胞群來(lái)解釋所謂的標(biāo)記保留細(xì)胞的存在。在21世紀(jì)初期，研究人員使用不同的標(biāo)記，包括綠色熒光蛋白或GFP，與穩(wěn)定摻入染色質(zhì)的組蛋白融合，以跟蹤細(xì)胞分裂。使用GFP具有額外的好處，允許研究人員使用熒光激活細(xì)胞分選前瞻性地分離活細(xì)胞，并隨后分析純化細(xì)胞群中的細(xì)胞行為和基因表達(dá)。

最近已經(jīng)使用這些類型的實(shí)驗(yàn)來(lái)表明標(biāo)記保留細(xì)胞與儲(chǔ)備干細(xì)胞相同。這些最近的研究表明，標(biāo)記保留群體中的至少一些細(xì)胞可以產(chǎn)生腸道中所有不同的細(xì)胞譜系，正如干細(xì)胞應(yīng)該的那樣。

然而，Penn團(tuán)隊(duì)決定仔細(xì)研究標(biāo)簽保留細(xì)胞，看它們是否與不可缺少的儲(chǔ)備干細(xì)胞真正相同。為此，他們創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，他們將GFP引入針對(duì)腸道干細(xì)胞的幼鼠中，然后監(jiān)測(cè)三個(gè)月內(nèi)的熒光損失。如前所述，他們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞保留了GFP標(biāo)簽。在短期內(nèi)，這些標(biāo)記保留細(xì)胞位于腸隱窩的基部和上方，腸絨毛基部的內(nèi)陷受到保護(hù)而不受內(nèi)腔內(nèi)容物的影響。隨著更多的時(shí)間過(guò)去，超過(guò)一個(gè)月甚至三個(gè)月，細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)更少，并且僅在地下室的基部定位。

“這是一個(gè)讓人們感到困惑的數(shù)據(jù)，”冷納說(shuō)，“因?yàn)闃?biāo)簽保留細(xì)胞和儲(chǔ)備干細(xì)胞都可以大致位于相對(duì)于地下室的相同位置。這導(dǎo)致人們推測(cè)它們是一個(gè)相同。”

為了確定它們是否確實(shí)相同，Penn團(tuán)隊(duì)將兩個(gè)小鼠群體培育在一起，一個(gè)用GFP標(biāo)記標(biāo)記保留細(xì)胞，另一個(gè)用保留的腸干細(xì)胞標(biāo)記用紅色的Hopx基因控制的遺傳標(biāo)記。在由此產(chǎn)生的后代中，他們發(fā)現(xiàn)了一些帶有兩種標(biāo)記的細(xì)胞，但大多數(shù)標(biāo)記的細(xì)胞都屬于相互排斥的群體。

然后，研究人員使用單細(xì)胞基因表達(dá)譜分析來(lái)尋找不同細(xì)胞群體中的基因。他們發(fā)現(xiàn)，短期標(biāo)記保留細(xì)胞，儲(chǔ)備腸干細(xì)胞和稱為活性隱窩基柱狀腸干細(xì)胞的細(xì)胞群，已知其易受損傷和突變，每個(gè)都具有獨(dú)特的基因表達(dá)譜，因此不同的人口。

他們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)Hopx標(biāo)記的細(xì)胞或儲(chǔ)備的腸干細(xì)胞存活并進(jìn)入細(xì)胞周期以再生受損組織，而短期標(biāo)記保留細(xì)胞則沒(méi)有。這些細(xì)胞群具有額外的功能差異。雖然大多數(shù)Hopx標(biāo)記的干細(xì)胞處于細(xì)胞周期的靜止或靜止階段，但大多數(shù)標(biāo)記保留細(xì)胞在細(xì)胞周期的G1期停滯，這是分化細(xì)胞的特征。

最后，研究人員表明，Hopx標(biāo)記的腸道干細(xì)胞可以在培養(yǎng)中形成腸類器官，而長(zhǎng)期標(biāo)記保留細(xì)胞則不能，這表明長(zhǎng)期標(biāo)記保留細(xì)胞已經(jīng)終末分化并且無(wú)法恢復(fù)。短期標(biāo)記保留細(xì)胞確實(shí)形成了類器官，但效率只有Hopx細(xì)胞的一半。

“我們得出的結(jié)論是，這些短期標(biāo)記保留細(xì)胞是活性干細(xì)胞的后代，并且正在經(jīng)歷分叉，成為兩種腸細(xì)胞之一，”Lengner說(shuō)。“它們?cè)谂囵B(yǎng)中保留了恢復(fù)干細(xì)胞狀態(tài)的能力，但它們不是我們和其他組織長(zhǎng)期研究的抗輻射保留干細(xì)胞。”

該研究結(jié)果挑戰(zhàn)了數(shù)十年前的研究工作，為研究人員提供了研究腸道干細(xì)胞的新框架。“就像你正在觀看足球比賽一樣，球員背上都有數(shù)據(jù)，”李說(shuō)。“如果他們沒(méi)有這些數(shù)字，就很難談?wù)撨@場(chǎng)比賽，并且知道我所談?wù)摰那騿T是否與你所談?wù)摰那騿T相同。這些細(xì)胞群也是如此。”

現(xiàn)在他們已經(jīng)確定儲(chǔ)備干細(xì)胞不同于標(biāo)記保留細(xì)胞，賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員希望更加重視研究真正的儲(chǔ)備干細(xì)胞，以確定腸道中的細(xì)胞群是如何組織的，并且最終可能了解這些和其他細(xì)胞群如何在癌癥的出現(xiàn)中形成。