試析植物干細胞與動物干細胞的異同

1、試析植物干細胞與動物干細胞的異同 摘要植物干細胞與動物干細胞的比較研究可以深入認識干細胞生物學的核心問題。植物干細胞與動物干細胞在細胞特征、功能、信號傳導、研究方法等方面均有所不同。但是近年來對argonaute （ago）與polycomb group proteins （pcg）蛋白研究表明動、植物干細胞行為之間有著某種分子相似性。 關(guān)鍵詞植物干細胞；動物干細胞；干細胞龕；信號傳導 收稿日期2013-07-02 基金項目國家自然科學基金項目（81274006） 通信作者*黃璐琦，tel：（010）64014411-2955，e-mail：干細胞是具有自我更新、高度增殖和多向分化潛能的細胞群

2、體，這些細胞既可以通過細胞分裂維持自身細胞群的大小，又可以進一步分化成為各種不同的組織細胞，從而形成機體各種復雜的組織器官。 與動物不同的是，植物不能運動，植物干細胞是植物適應(yīng)惡劣環(huán)境的動力之一，是維持植物多樣性的源泉之一。自然界中很少有幾種動物能存活幾百年以上，但是許多植物的壽命都很長，許多樹木可以存活幾百年甚至上千年，例如龍血樹的壽命可達6 000余年11，龍血樹受傷后流出的樹脂，就是名貴中藥血竭。植物具有如此之長的壽命的條件是在其體內(nèi)必須具有一群長期存在的未分化的未成熟細胞，即干細胞，它們一方面能不斷的自我更新，另一方面能分化成許多成熟的細胞或組織。干細胞是產(chǎn)生所有植物組織的來源。目前，

3、人們對控制植物干細胞命運的分子機制只有初步的了解，在這方面的進展主要來源于對擬南芥的研究。對植物干細胞與動物干細胞的比較研究可以深入認識干細胞生物學的分子調(diào)控、定向分化等核心問題。 1植物干細胞及其特征 植物干細胞是位于植物分生組織的未分化細胞，可以形成穩(wěn)定的前體細胞，進而形成不同的植物組織和器官。植物干細胞是維持植物生命的原動力。植物干細胞的特征包括：能夠形成所有分化細胞的類型；具有自我更新的能力，維持干細胞的數(shù)量；位于分生組織或者原形成層。 盡管愈傷組織具有干細胞樣屬性，愈傷組織可以作為植物干細胞的替代來源，用于培養(yǎng)植物化合物，但是從根本上來講愈傷組織和植物干細胞不同1。愈傷組織的分化能力

4、與干細胞相似，但兩者的不同在于它們的來源。植物干細胞存在于植物分生組織及原形成層；愈傷組織來自于體細胞，是體細胞對損傷的暫時響應(yīng)，是一個臨時獲得刺激的細胞。植物干細胞和愈傷組織之間的差異還在于細胞分化和增殖的能力是不同的，只有位于分生組織中的干細胞在植物的整個生命周期可以產(chǎn)生并形成新的組織和器官。 與干細胞不同，愈傷組織是異質(zhì)性的。愈傷組織由成體細胞的已分化細胞組成，經(jīng)過脫分化形成分化細胞獲得分化能力；愈傷組織不易維持穩(wěn)定的細胞分裂。 2植物干細胞與動物干細胞的異同 2.1功能的相似性 在動物中，通常將干細胞分為全能干細胞（如胚胎干細胞可以分化形成所有的成體組織細胞，甚至發(fā)育成為完整的個體）、

5、多能干細胞（具有多向分化的潛能，可以分化形成除自身組織細胞外的其他組織細胞，如造血干細胞、神經(jīng)干細胞、間充質(zhì)干細胞、皮膚干細胞等）和單能干細胞。真正具有全能性的細胞是受精卵和其分裂產(chǎn)生的子細胞。與此相比，許多植物干細胞在它的整個生活周期中都具有全能性。例如存在于植物苗端分生組織和根端分生組織中的干細胞，具有旺盛的再生能力，在干細胞的整個生活周期中能使植物生長并且產(chǎn)生新的器官。 2.2信號傳導分子的異同 2.2.1動、植物干細胞龕（stem cell niche）干細胞的定向分化需要一個比較固定的、有調(diào)控活性的微環(huán)境，稱之為龕2。干細胞的龕是由容納干細胞，并控制干細胞自我更新的組織細胞以及細胞外

6、基質(zhì)組成，干細胞龕的大小往往由信號分子來源及其所能到達的有效范圍而限定。例如，果蠅的卵巢干細胞龕具有2種干細胞，即生殖腺干細胞（gscs）和成體干細胞（sscs）。果蠅卵巢生殖腺干細胞龕位于卵巢管狀結(jié)構(gòu)頂點的盲端（圖1a）。位于頂點基部的帽細胞（cap cells），與生殖干細胞直接接觸。帽細胞在果蠅卵巢干細胞龕中是主要的信號細胞。gscs非對稱分裂產(chǎn)生2個子細胞：一個仍然與帽細胞保持接觸，保留干細胞的特性留在龕中；另一個子細胞則離開龕開始分化而形成卵囊細胞。此外，在果蠅生殖腺的成體干細胞龕維持成體干細胞的特征，sscs是產(chǎn)生不同亞型的卵巢囊泡細胞的祖細胞。維持sscs的信號分子也被認為是來源

7、于帽細胞（圖1a）。 維持干細胞功能的信號來源細胞以紅色區(qū)域標示；干細胞以深藍色標示；干細胞的后裔細胞以淺藍色標示；a.果蠅卵巢生殖干細胞龕，gscs與帽細胞接觸。生殖干細胞的后裔細胞為卵囊細胞，卵囊細胞分裂形成卵囊（egg cyst）。成熟的卵囊細胞被卵泡細胞包圍，卵泡細胞由成體干細胞（sscs）產(chǎn)生；b.造血干細胞龕，造血干細胞與紡錘形的、n-cadherin+cd45-的成骨細胞（sno）相接觸，sno附著于骨髓腔的骨小梁細胞。骨髓干細胞的后裔細胞是多能干細胞，多能干細胞分化成為多種血細胞；c.莖尖分生組織干細胞龕：位于組織中心的細胞表達wus轉(zhuǎn)錄因子，維持干細胞特征。中心區(qū)域干細胞分裂

8、后產(chǎn)生兩部分細胞，一部分仍然保留在中心區(qū)域保持多能特性；另一部分細胞，隨著干細胞的分裂逐漸脫離中心區(qū)域到分生組織周邊區(qū)域，在周邊快速分裂并分化，形成組織；d.根尖分生組織干細胞龕：根部干細胞通過靜止中心的信號維持其功能。早期的干細胞后裔細胞增殖形成根冠，并分化為跟部細胞。 圖1動、植物干細胞龕示意圖4 fig.1examples of animal and plant stem-cell niches造血干細胞（hsc）位于骨髓的造血微環(huán)境龕中，它們與龕內(nèi)特定的細胞相互作用以調(diào)節(jié)其自我更新和定向分化。在哺乳動物骨髓中，一類特殊的成骨細胞（sno）可能是維持hsc骨髓造血干細胞龕的主要基質(zhì)細胞。

9、sno是一種富集在骨小梁表面，呈紡錘形，n-鈣黏素+cd45-的成骨細胞。hsc能在這一特定的微環(huán)境內(nèi)維持長期造血，形成多能干細胞，進而分化為多種血細胞（圖1b）。 在植物中，研究的比較完善干細胞龕分別位于擬南芥的莖尖和根尖的分生組織。在莖尖組織中，干細胞位于分生組織的中部。在干細胞周圍的后裔細胞迅速分裂而提供多種前體細胞，形成新的器官，如葉片（圖1c）。位于干細胞周圍“組織中心”的細胞表達同源蛋白wuschel（wus），wus是保持莖尖干細胞特征的必要信號分子。近年來，許多參與調(diào)控過程的基因已鑒定出來。其中起主要作用的wus（wuschel）基因和clv（clavata）基因之間形成一個反

10、饋調(diào)節(jié)通路，控制著干細胞的數(shù)量和莖端分生組織中心區(qū)域的大小。 在擬南芥的根尖分生組織中心，有一群分裂緩慢的細胞，稱為“靜態(tài)中心”（圖1d）。靜態(tài)中心被單層干細胞所包圍，維持干細胞的信號分子來源于靜態(tài)中心。干細胞分裂產(chǎn)生的子細胞形成根的不同細胞類型與組織，進而構(gòu)成植物的地下器官植物根系。ben scheres等3研究發(fā)現(xiàn)靜態(tài)中心維持根尖干細胞特征同樣是依靠細胞的直接接觸。這種短程的信號機制保證了干細胞數(shù)量的穩(wěn)定性，并且與果蠅的生殖干細胞與帽細胞直接接觸的方式相類似。 為了維持干細胞無限的自我更新狀態(tài)，并且與分化信號及其組織器官形成方式相互協(xié)調(diào)，干細胞必需局限于特定的區(qū)域；而對于外界信號的依賴是維

11、持干細胞數(shù)量穩(wěn)定的有效方式。雖然動、植物干細胞微環(huán)境是相互獨立的，但是pcg（polycomb group）蛋白的角色提示二者有某種分子相似性。pcg 蛋白是一組通過染色質(zhì)修飾調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄抑制子，作為細胞記憶系統(tǒng)的一部分維持細胞身份在細胞分裂中的穩(wěn)定性。pcg 蛋白與干細胞命運的決定、x染色體失活、細胞分化密切相關(guān)12。在動物中，pcg蛋白家族通過組蛋白甲基化和組蛋白去乙?；P(guān)閉與干細胞分化有關(guān)的基因，使干細胞保持未分化狀態(tài)。在植物中，研究表明干細胞全能性喪失與pcg介導的基因沉默有關(guān)。染色質(zhì)修飾對植物干細胞和動物干細胞的調(diào)控具有相似的分子機制4。 ago（argonaute）蛋白家族是

12、一類序列高度保守的蛋白質(zhì)。分子量約為100 kda，與非編碼小rna（如mirna， sirna， pirna等）緊密相關(guān)。在真核生物中，ago蛋白家族參與由非編碼小rnas引發(fā)的一系列序列特異性的基因表達負調(diào)控作用，即rna基因沉默作用13。ago蛋白和染色質(zhì)修飾是穩(wěn)定細胞狀態(tài)及單細胞生物的古老機制之一。例如，在裂殖酵母shizosaccharomyces pombe，交配型位點通過組蛋白h3的甲基化而沉默，這種異染色質(zhì)沉默的機制涉及ago1的rnai。而在四膜蟲tetrahymena，由小rnas介導的基因缺失也涉及到ago蛋白。綜上，在動、植物干細胞微環(huán)境中存在著一種限制和穩(wěn)定細胞分化的

13、相似機制4-5。 2.2.2維持動、植物干細胞功能的主要信號分子在哺乳動物，wnt和notch經(jīng)典信號途徑調(diào)控造血干細胞、腸上皮干細胞、皮膚干細胞和神經(jīng)干細胞的自我更新6。dpp （decapentaplegic）是tgf-超家族成員，作為形態(tài)發(fā)生素指導細胞的分化、分裂，在果蠅翅膀發(fā)育過程中扮演重要角色；dpp和hedgehog （hh）共同維持生殖干細胞的信號通路。hedgehog信號通路不僅與胚胎的發(fā)育、組織的形成、成體組織再生及修復相關(guān)，同時已被證實與其他信號分子如成纖維細胞生長因子（tgf-）、骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bmp）共同調(diào)控發(fā)育過程。例如在果蠅卵巢管，生殖干細胞被去除后，帽細胞繼續(xù)分

14、泌dpp和hh。在hh的調(diào)控下，成體干細胞最終進入生殖干細胞龕并且持續(xù)增殖。 在植物7-9，wus（wuschel）基因和clv（clavata）基因之間形成一個反饋調(diào)節(jié)通路，控制著干細胞的數(shù)量和莖端分生組織中心區(qū)域的大小，調(diào)控莖尖干細胞穩(wěn)態(tài)。scarecrow（scr）- shortroot（shr）信號通路對根尖細胞起調(diào)控作用。scr和shr屬于gras家族的轉(zhuǎn)錄因子，對根尖分生區(qū)的維持起關(guān)鍵作用。scr在靜態(tài)中心及內(nèi)皮層表達；shr在根尖中柱細胞表達。shr和scr都是維持靜態(tài)中心功能必需的，共同為干細胞微環(huán)境提供信號。近年來研究也證實生長素和細胞分裂素等植物激素通過相互作用，共同調(diào)控植

15、物干細胞的分裂和分化14-15。小rna也被發(fā)現(xiàn)在植物干細胞間發(fā)揮著重要的信號傳導作用14。 2.3研究方法的異同 研究動、植物中干細胞的方法不同。在動物中，追蹤干細胞的方法是進行細胞分離培養(yǎng)，觀察這些細胞在誘導分化條件下的命運。研究人員曾嘗試通過不同途徑實現(xiàn)動物體細胞重編程以獲取胚胎干細胞或胚胎干細胞樣的細胞或多潛能干細胞（induced pluripotent stem cells，ips細胞），這些途徑主要包括：體細胞核移植；體細胞與多潛能細胞融合后的重編程；將分化的體細胞在卵細胞或多潛能干細胞的抽提物中孵育以實現(xiàn)體細胞重編程；體細胞經(jīng)特定因子誘導重編程為ips 細胞。雖然運用前3 種方

16、法可以獲得多潛能干細胞，但是這些方法在技術(shù)、細胞來源、免疫排斥、倫理等方面存在諸多限制。第4種方法的ips細胞就是借助基因?qū)爰夹g(shù)將某些特定因子導入動物或人的體細胞，同時可選擇性地在培養(yǎng)液中加入特定的小分子物質(zhì)，即可將體細胞重編程為多潛能干細胞10。對ips細胞的研究榮獲了2012年的諾貝爾生理學獎。 但是植物細胞被厚厚的細胞壁包圍，無法進行單個細胞的分離培養(yǎng)。研究植物干細胞主要是通過觀察體細胞胚的形成過程。通過懸浮培養(yǎng)分離出的細胞可以獲得體細胞胚，此外早期發(fā)育的胚甚至是成熟組織都可以誘導體細胞胚的再生。哺乳動物的干細胞無法通過定位進行分離及鑒定。 3結(jié)語 對動、植物干細胞的比較研究可以深入認

17、識多細胞進化的進程。綜上所述，在動、植物界，干細胞行為之間有著諸多相似之處，包括有限范圍內(nèi)的細胞間信號傳導，與子代相比干細胞分裂相對較慢。當然，動物干細胞微環(huán)境的信號分子與植物干細胞不同，并且在不同發(fā)育過程的信號分子也有所不同。因此，動、植物干細胞微環(huán)境的存在極有可能是在相似條件下的趨同進化。 干細胞如何維持多能狀態(tài)，而外部信號如何介導該機制，尚未完全了解。對于植物而言，維持干細胞功能信號的特征，以及植物干細胞重構(gòu)等方面有待深入研究。動、植物干細胞功能的相似性在發(fā)育生物學中是一個統(tǒng)一的主題。 參考文獻 1wikipedia. plant stem celleb/ol. 2012-05-25.h

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