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2019-12-13 15:20
细胞之间的“秘密战争”,也许救了你的命

文章来自微信公众号:Nature自然科研(ID:Nature-Research),原标题:《细胞之间的秘密战争也许救了你的命》,作者:  Kendall Powell,题图来自:视觉中国


为了对抗癌症和衰老,生物学家正在研究细胞如何驱逐、杀死或蚕食适应度低的竞争对手。


藤田恭之(Yasuyuki Fujita)亲眼目睹了当细胞不再彬彬有礼并开始展现真实一面时会发生什么。当他在培养皿中的少量肾细胞中启动了一个名为Ras的致癌基因后,他瞥见了这个残酷的微观世界。他本来预计会看到的是癌细胞在其邻近细胞间增殖并开始生成肿瘤。然而恰恰相反,邻近细胞有组织有纪律地用丝蛋白武装自己,并开始“戳,戳,戳”。日本札幌北海道大学的癌症生物学家藤田说:“转化的细胞被从正常细胞群中清除了,彻底被旁边的细胞推出去了。”



插图:Acapulco工作室


在过去的二十年中,类似的发现激增,揭示了在细胞层面上正在发生各种级别的战争。这被称为细胞竞争,它的作用有点儿像物种之间的自然选择,因为适应度高的细胞战胜了适应度低的邻近细胞。这种现象可以在生物体的发育过程中进行质量控制,防御癌前细胞,以及成为维持皮肤、肠和心脏等器官的关键部分。


细胞使用多种方法来消灭它们的竞争对手,从将它们从组织中清除出去到诱导细胞自杀,甚至吞噬它们和蚕食其组成成分。这些观察结果表明,组织发育和维持的过程比之前认为的混乱得多。纽约市西奈山伊坎医学院的干细胞生物学家Thomas Zwaka表示:“这表明发育完全不像钟表发条一样,遵循一套预设规则。”


但是,关于单个细胞如何识别其邻近细胞的弱点并采取行动,仍有很多疑问。实验室一直在努力寻找并争论适合度的潜在标志物以及它们如何引发竞争行为。这些机制可以使科学家们抑制或协助进行此过程,从而有可能找到更好的应用再生医学去对抗癌症、疾病和衰老的方法。


英国布里斯托大学的细胞生物学家Eugenia Piddini说:“细胞竞争是全球科学家的研究目标。”她认为围绕这个主题的热议就像是当初助推了现代癌症免疫疗法的热潮一样。她说,科学家对细胞竞争的理解越充分,就越有可能将其用于治疗。


历史重演


去年2月下了一场暴风雪,积雪深达30多厘米,就在这样的天气里,来自十几个学科的生物学家在加利福尼亚太浩湖的一家酒店里召开了第一个专门讨论细胞竞争的重要会议。


联合组织者Zwaka说:“各个学科的科研人员聚在一起。”其中包括研究可以从一个单细胞再生出整个身体的扁虫的生物学家,尝试建立鼠、猴和兔胚胎的种间嵌合体的遗传学家,以及报告了细菌群落发生的可怕战斗和合作行动的主题发言人。


共有约150人参加了这场在暴风雪中召开的会议,他们讨论了细胞如何以及为什么评估它们所面临的竞争,另外也表彰了促使这个领域诞生的发现。


1973年,两名博士生Ginés Morata和Pedro Ripoll正在完善一种追踪果蝇幼虫中最终可能会发育成翅膀的各种细胞群的方法。他们在马德里西班牙国家研究委员会的生物研究中心工作,将一种名为Minute的突变引入幼虫的一些选定的细胞中,但保持其余的细胞不变。


他们知道Minute细胞的生长速度要比其未被改变的邻近细胞慢,因此预期能够在野生型中找到一些比较小的细胞。Morata说:“相反,我们发现细胞消失了。”他现在是西班牙马德里自治大学的一名发育生物学家。


Minute细胞可以自行发育成正常的果蝇——除了身上的体毛又短又细,该突变因此得名。但是,当它们与幼虫中的野生型细胞混合时,这些细胞完全消失了。Morata说:“Minute细胞无法与更有活力、代谢活跃的野生型细胞竞争。”他们将这种活动描述为细胞竞争1。Morata说:“这是一个非常令人惊讶和有趣的发现。”但由于缺乏分子生物学工具去更紧密地追踪细胞的命运,他和同事们只能让子弹再飞一会儿。


26年后,博士后Laura Johnston和Peter Gallant观察到了几乎一模一样的现象。他们分别与西雅图福瑞德哈金森癌症研究中心的Bruce Edgar和Robert Eisenman合作,在另一种果蝇基因中研究一种名为Drosophila Myc (dMyc)的突变,该突变也会减缓细胞生长2


Johnston说:“在一个‘尤里卡’瞬间,我和Peter意识到这些dMyc突变细胞会消失。”他们最终表明,突变细胞被迫启动一种程序性细胞死亡形式——细胞凋亡。Johnston说:“很明显,这是一场竞争。”她现在是纽约哥伦比亚大学欧文医学中心的一名发育生物学家。


激活了致癌基因Ras(紫色)的果蝇细胞可以在竞争中战胜其邻近的野生型细胞(绿色)。| 图片来源:Eduardo Moreno


他们1999年发表的一篇论文引起了Morata等科学家们的兴趣。Morata与Eduardo Moreno再度投身这个领域,利用现代分子工具重复了Minute实验。Johnston 说:“这个领域从此蓬勃发展起来。”


Myc充当细胞生长的主要控制者,而Minute编码合成蛋白质所需的关键成分。因此,这些蛋白质的表达降低会造成细胞的适应度降低也就不足为奇了。但是,下一个发现使人们感到惊讶。Johnston3 和 Moreno4发表的两篇论文表明具有一份额外的正常dMyc拷贝的细胞战胜了野生型细胞。这些比野生型细胞适应度更高的细胞被称为“超级竞争者”。


Zwaka说,Johnston关于超级竞争的发现强调了细胞竞争涉及的是一组细胞的相对适应度。如果一个细胞适应度差,则其整个邻近细胞群会决定这个细胞必须消失。但另一方面,它们也可以感受到某些细胞的适应度更好而且应该活着。


细胞竞争不仅仅是简单的消除缺陷;这与适者生存有关,细胞中适应度低的“失败者”死亡,“胜利者”增殖。重要的是,只有当基因不同的细胞混合在一起时才能看到竞争,这被称为镶嵌现象。通过这种方式,细胞竞争像一个质量控制系统一样运行,在发育过程中淘汰掉适应度低的细胞。


生存能力的竞争


藤田观察到的肾细胞被淘汰出局,是显示哺乳动物细胞也会竞争的迹象之一5。这项研究发表后不久,研究人员开始观察皮肤、肌肉和肠道等各种组织淘汰突变细胞的细胞竞争。


第二个最明显的寻找竞争细胞的地方是哺乳动物胚胎。2013年,Zwaka小组及另外两个实验室研究了发育最早阶段的小鼠胚胎——仅比细胞球大一点6,7,8。Zwaka小组制造了具有一种超级竞争者突变的小鼠胚胎干细胞(ESC),这种突变降低了p53的表达。p53是一种重要的质量控制蛋白,通常会阻碍细胞分裂。这些细胞被放入小鼠胚胎后,很快就会取得控制地位并发育为正常小鼠7。同样,马德里国家心血管研究中心的Miguel Torres实验室证实,在早期小鼠胚胎中,可以利用轻微过表达小鼠Myc基因来诱导超级竞争。


通过人为制造失败者或胜利者,研究人员可以迫使细胞竞争发挥作用。但是,当时还是博士后的Cristina Clavería领导的Torres团队也报告了惊人的发现,即Myc表达在小鼠胚胎干细胞中自然地发生变化。胚胎中蛋白质含量约为其邻近细胞一半的细胞因凋亡而死亡。这是最早强有力地指向自然发生细胞竞争的研究之一8


雕刻组织


这种现象在胚胎发育的后期也起作用。在今年发表的一项研究中,纽约洛克菲勒大学Elaine Fuch实验室的博士后Stephanie Ellis研究了小鼠的皮肤。在发育过程中,其表面积在大约一周内扩大了30倍。皮肤中的细胞疯狂增殖——首先是单层,然后是多层。


Ellis向小鼠胚胎注射了可将细胞转变为遗传失败者的一种混合物。她以胚胎皮肤为单层厚度时存在的少量细胞为目标,加入一个使它们发红光的标记基因。然后使用延时成像技术观察这些细胞的命运:这些皮肤细胞从表层弹出、破裂并消失。后来,她注意到获胜细胞吞噬并清理失败细胞的尸体9


Ellis在多层皮肤阶段重复实验时,并没有看到适应度低的皮肤细胞消失或被吞噬。相反,失败细胞倾向于分化并迁移到皮肤的外层——在那里,它们在脱落之前的短时间内成为一种屏障。胜利细胞则更有可能作为干细胞留在皮肤底层。


不表达Scribble基因(绿色)的狗的肾细胞成为失败者,被野生型细胞通过挤压的方式淘汰。| 图片来源:E. Piddini et al./Nat. Commun.


这很合理。“杀死一个细胞要消耗很多能量,” Ellis说,“一个发育中的组织可能会决定‘为什么不通过分化淘汰失败者呢?’”日本东京医科牙科大学的Emi Nishimura实验室发现,在成年小鼠衰老的尾巴皮肤中,竞争的干细胞使用了相同的不对称分裂模式来淘汰关键结构胶原蛋白水平较低的干细胞10


这些实验可以为寻求利用干细胞恢复衰老的组织和器官的科学家提供指导。细胞竞争对这种疗法可能有益,也可能有害:干细胞可能会胜过较老的、适应度较差的细胞,或者当它们被移植到组织当中时可能会遭遇到一个敌对的环境。了解成年组织中是否发生细胞竞争以及如何发生细胞竞争可以帮助解决这个问题。


Piddini承认她对这个想法有点着迷,她的团队和另外一拨研究人员一起,证明细胞竞争确实会发生在成年生物体中。她说,为了检验这一想法,研究小组将与Minute 功能上相关的基因RPS3的一种突变拷贝“遗传地撒在”成年果蝇肠道的一些细胞上。


具有突变体拷贝的细胞在与其对应的野生型细胞的竞争中失败了。失败细胞是维持肠道的干细胞还是分化的细胞都无所谓了:所有的最终都凋亡了11


Torres实验室的高级博士后Cristina Villa del Campo通过在8至10周龄时引入获胜的心脏细胞,在小鼠心脏中测试成年竞争。在一年的时间里,她追踪了获胜细胞和野生型失败细胞的数量,发现失败细胞的数量下降了约40%12


Villa del Campo说:“这在成年生物体中是一种缓慢更替。但是,即使高度分化的功能性成年细胞也可以感知到适应度较差的心脏细胞并消除它们。”


未解决的问题


即使有大量在各种不同条件下发生细胞竞争的例子,该领域仍然面临着许多未解决的问题。一个很大的难题是一组细胞如何感知适应度。藤田说:“也许细胞在识别化学上的差异、物理上的差异或细胞膜组成上的差异。”他补充说,实验室已经找到了这三个方面的证据。


他的丝蛋白戳刺肾细胞实验表明细胞之间需要接触。其他人则看到了似乎是短距离的、最多传播到八倍细胞直径的化学适应度信号。究竟哪些分子负责这种信号传递(是分泌的化学物质还是物理标记),是研究人员热烈争论和研究的主题。


Johnston和Zwaka都发现了与免疫监视有关的信号。Johnston研究组识别出典型的会召唤免疫细胞聚集并吞噬外来入侵者从而导致竞争失败细胞死亡的分子13。正常细胞始终低水平表达这些死亡信号。但是在竞争激烈的混战中,胜利细胞用这些信号淹没那些失败的邻近细胞,迫使它们自杀。


Zwaka提出,细胞可能通过探测普通信号或细胞脱落的碎片来评估彼此的健康状况。这类似于你闻到邻居正在烤晚餐要吃的牛排,并断定他们肯定烤得特别好。


或者,它可能简单得如同看你的邻居挂了哪个旗帜。Moreno在葡萄牙里斯本Champalimaud未知技术研究中心有自己的一个课题组,他们发现了一种名为“Flower”的跨膜蛋白14。在人体内,该蛋白可以有四种结构类型,每种都在细胞外表面显示其自身的特征结构。Moreno说,两个向附近的细胞发出信号“我是胜利者”,另外两个向附近的细胞发出信号“我是失败者”。


一些人类癌细胞发出Flower-胜利者信号,这可能会提高它们的存活率。Moreno实验室的实验表明,沉默肿瘤上的胜利信号会减慢细胞的生长,并使它们对化疗敏感15


但是,一些科研人员对Flower信号的重要性提出了质疑。Moreno承认它们并不是在所有细胞竞争情况下都存在。


健康的竞争


如果研究人员想利用竞争机制改进基于细胞的癌症疗法或再生疗法,那么破解竞争机制将是关键。


有一些振奋人心的线索显示细胞竞争可能已经在防御癌症。过去几年的发现表明,人类的皮肤、食道和肺的细胞表现出高度镶嵌性。例如,大约四分之一的皮肤细胞隐藏着多种癌前突变,而这些突变极少变成肿瘤16,17


目前尚不清楚肿瘤形成时是什么赋予了癌细胞竞争优势。如果研究人员能够了解如何控制超级竞争者或削弱癌细胞的竞争能力,那么他们也许就能够借此抗击癌症。


相反,如果干细胞要替代老化或患病的组织进行器官更新,则可能需要获得竞争优势。Villa del Campo表示,临床医生已经在考虑如何增强患者自身来源的心脏干细胞,以有效替代因心脏病或其他疾病而受损的细胞。


开始于小小的果蝇幼虫中的不起眼的研究揭示出了原始的细胞战争,这可能会引领基于细胞的医学进入一个新时代。这个过程引起了科学家们的热议,但它仍然是个谜。


9月,Morata在瑞士洛桑参加了为期一天的细胞竞争会议,他在会后表示:“细胞竞争可能是淘汰任何不应该存在的、不想要的细胞的一个一般过程。”


现年74岁的他为自己搁置了40多年的研究重获新生而感到激动,细胞竞争又热了起来,他说:“这真的令人很兴奋。”


参考文献:

1. Morata, G. & Ripoll, P. Dev. Biol. 42, 211–221 (1975).

2. Johnston, L. A., Prober, D. A., Edgar, B. A., Eisenman, R. N. & Gallant, P. Cell 98, 779–790 (1999).

3. de la Cova, C., Abril, M., Bellosta, P., Gallant, P. & Johnston, L. A. Cell 117, 107–116 (2004).

4. Moreno, E. & Basler, K. Cell 117, 117–129 (2004).

5. Hogan, C. et al. Nature Cell Biol. 11, 460–467 (2009).

6. Sancho, M. et al. Dev. Cell 26, 19–30 (2013).

7. Dejosez, M., Ura, H., Brandt, V. L. & Zwaka, T. P. Science 341, 1511–1514 (2013).

8. Clavería, C., Giovinazzo, G., Sierra, R. & Torres, M. Nature 500, 39–44 (2013).

9. Ellis, S. J. et al. Nature 569, 497–502 (2019).

10. Liu, N. et al. Nature 568, 344–350 (2019).

11. Kolahgar, G. et al. Dev. Cell 34, 297–309 (2015).

12. Villa Del Campo, C., Clavería, C., Sierra, R. & Torres, M. Cell Rep. 8, 1741–1751 (2014).

13. Meyer, S. N. et al. Science 346, 1258236 (2014).

14. Rhiner, C. et al. Dev. Cell 18, 985–998 (2010).

15. Madan, E. et al. Nature 572, 260–264 (2019).

16. Martincorena, I. et al. Science 348, 880–886 (2015).

17.Yizhak, K. et al. Science 364, eaaw0726 (2019).


原文以These secret battles between your body’s cells might just save your life为标题发表在2019年10月15日的《自然》新闻特写上


文章来自微信公众号:Nature自然科研(ID:Nature-Research),作者:  Kendall Powell

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