干细胞：生命中的相对论

marrowstem

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干细胞——生命中的相对论
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. {/ h( b3 O. r: N7 }% ]在我们所崇尚的所有事物中，只有科学可以“显灵”！% k/ Q% r  l$ B9 p& ?& o5 b
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      正如宇宙是从黑洞大爆炸一刻启始，生命则是从精子和卵子的碰撞一刻开始。对单个生命体来说，时间和空间也是从这一刻开始才有意义。此外就像宇宙包含有无数的星星及相应星系一样，单个人体所含有的细胞也可用天文数字进行计算，全身大约有1000兆个细胞（万万为亿，万亿为兆）。当然如果我们从大一点的角度考虑，人体是由206根骨头、600块肌肉组装而成，但人体绝不是这些肌肉或骨头的简单组合，另外它也含有十万根头发、三亿根肌纤维，而且光脑细胞所含有的信息就超过1000兆。从某种意义上说，生命有机体的复杂程度不亚于宇宙，而且具有一定的可比性，假如把宇宙比作一个有机生命体，那么细胞可以认为是单个的星球，而一个组织或器官则可以被看作是一个星系。我们知道每个星球有他自己的独特运行轨迹，细胞也一样，也有他自己的活动轨迹及相应的作用角色。, Q, w& u- U5 Y  d
    (continuing)

翠晓灿阳

很好的类比，但不知道维持宇宙运行的万有引力定律在生命体中是什么？

marrowstem

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一、个体产生! A7 T  k# Q$ j: N- C' J7 t
       任何生命的产生都是一件非常值得我们尊重的事，如一次射精后某个精子和卵子发生碰撞并可能结合的机会只有五亿分子一。因此每次射精意味着有五亿个精子同时向一个卵子行进，行进的距离和过程恰似像完成一次星际航行，而最终的胜利者只有一枚精子——与等待的卵子完成婚嫁的目的。然后才是真正的发育开始，受精卵一分为二、二分四，如果你有机会在显微镜下观察此景象，将有机会看到一幅迷人的景象，这时细胞的分化与运动就象开瓶的啤酒一样，从上往下运动，并向里面卷曲，形成一中空的空洞，此空洞结构往往决定眼睛长在什么地方、手会长在什么地方、心脏在胸腔左侧产生、肝脏在腹腔右侧形成。
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           胚胎发育是生物学中最具挑战性和最迷人的课题。胚胎中的细胞每时每刻都在更新，细胞中的基因无时无刻都在表达，且这种基因表达具有时空特性。此外，这些细胞的运动、基因的表达都朝着同一个目标有序前进，最终目的是发育形成一个具有生命意义的个体。但让我们至今难以想象的一个事实是：单个受精卵细胞怎样会产生具有含一千兆个细胞的个体，而且每个细胞都有自己在体内的独特作用角色，如肝细胞可以解毒、神经细胞可以传导兴奋。胚胎是美丽的，但应认识到胚胎也是“残忍”的，假如你是胚胎体内大量发育细胞中的一员，而且具有理性、及能感知，你就可能被你周围的大屠杀弄的心惊肉条。而且已经发育成熟的一些细胞在必要时也需采取自杀或凋亡的手段来维持体内的细胞数量平衡。; J' f* J- X! G. f
         在发育过程中，细胞不但要恰当地诞生，而且也要恰当的死亡，如人在胚胎阶段是有尾巴的，正因为组成尾巴的细胞恰当地死亡，才使我们出生后并没有尾巴存在，而如果这些细胞没有恰当的死亡，就会出现长有尾巴的新生儿；另外一个明显的例子是婴儿手指和脚趾的形成，由于最初始的发育、形成的是拳头样的团块样结构，因此五个手指间的细胞必须自杀、才能产生最具活动自如功能的手指。从胚胎、新生儿、婴儿、儿童到青少年，在这一系列人体发育成熟之前的阶段，具体来说是细胞诞生的多，死亡的少，所以机体才能长大。发育成熟后，人体内细胞的诞生和死亡处于一动态平衡阶段，一个成年人体每天都有成千上万的细胞会诞生，但同时几乎又有相等数量的细胞“程序性死亡”。# ~3 A. T! {# I( O. y9 D' W
       在健康的机体中，细胞的生生死死总是处于一动态的良性平衡中，许多重要的器官内都发生着极其快速的死亡和补充过程，肠道表皮的被覆细胞、血液中的淋巴细胞以及皮肤细胞是最为忙碌的细胞。如果这种平衡被破坏，人就会患病；如果该死亡的细胞没有死亡，就可能导致细胞恶性生长，形成癌肿瘤。如果不该死的细胞过多地死亡，比如受艾滋病毒的攻击，不该死的淋巴细胞大批地死亡，就会破坏人体的免疫力，从而导致艾滋病的发生发作。5 t/ H' |8 Z& j. I( y
       到此你也许觉得生命是一个太过复杂的现象，但科学是一个在我们所崇尚的所有事物中，唯一可以“显灵”的一个“法宝”。象牛顿的物理学三大定律及爱因斯坦的相对论，任何事物都有规律可寻，任何规律都有内在的机理存在。那么生命的机理在哪？内在的机制又是什么？现在已经有了一个可选答案，我认为答案是干细胞，而内在的机制则还是相对论法则，对此我们也可称之为：干细胞——生命中的相对论。

botizhou

Thanks.

marrowstem

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二、什么是干细胞5 B5 h% e; ]% u- C- {! @
       干细胞的“干”，译自英文“stem”，意为“树干”和“起源”的意义，俗话就是“干什么都能行的细胞”。是机体某种组织、器官乃至整个个体的“祖宗细胞”。中国古代的一个典故符合干细胞的定义：传说古时候有一个小孩翻山越岭地去为失去双手的母亲挖草药，草药没挖到，却找到了一颗夜明珠。回到家，孩子把夜明珠藏在空无几粒米的缸里，第二天发现缸里已装满了新米。聪明的孩子把夜明珠放在母亲摔断的手上，第二天当孩子醒来时，发现自己被紧紧地抱在母亲怀里。而干细胞从某种意义上就如同此传说中那颗与什么放在一起就产生什么的夜明珠，挽救生命于死亡的幽谷。. d( F; Y; j5 @8 ^3 b- U
         
3 J0 I0 w) l6 n* |. ]2 |+ Z$ X    对于干细胞的定义，多年来一直在被修正。目前绝大多数生命科学家和医学家认为勉强可以接受的一个定义是：干细胞是一类在体内存在的未分化细胞，具有自我更新及能不断进行增殖分化的细胞，它一方面能产生表现型与基因型与自己完全相同的子细胞，另一方面又能产生发挥各种功能的成熟细胞，通俗地讲，干细胞是指尚未发育成熟的细胞，具有再生成为各种组织、器官的功能细胞，医学界对此给予它一个“万能细胞”的名词。# p  R9 t. Q. R& t. W; R: {+ M
当前，干细胞被人为的分为两类：胚胎干细胞和组织干细胞。人类对干细胞已有的知识表明，受精卵在母体里经过连续大约十天的分裂，形成一个囊泡状的胚泡结构，在胚泡内有一个细胞群，包含约100个最原始的细胞，这些细胞就是将来发育成一个个体所有组织的基本细胞——胚胎干细胞。通过适当的基因时空调控，每一个细胞都具备能发育产生人体所有组织、260多种细胞的能力，因此胚胎干细胞也被认为是“全能干细胞”。8 h+ q( S. S% M' T8 V2 ]/ S: I2 x+ n
     组织干细胞是指存在于相应组织中的干细胞，如血液系统中的造血干细胞、表皮中的皮肤干细胞以及肝脏中的肝干细胞。目前发现，几乎任何一种组织中都有相应干细胞的存在，即使是被认为没有再生能力的脑组织，被证明也有神经干细胞的存在。但我认为这种观点有失偏驳，组织干细胞这个概念只是回答了现象，而没有触及事物本质。本质是所有所谓分离到的各种组织干细胞其实是一种细胞——即成体中隐藏于骨髓中的干细胞，称之为骨髓干细胞（Bone marrow stem cell，BMS细胞）。我们知道胚胎干细胞最初在胚胎8细胞期产生，处于内细胞团（ICM）中，然后随着发育进程，第一站迁移到卵黄囊，然后是胚胎肝脏，最终定居于成体骨髓中。因此应认为胚胎干细胞随着发育过程，从内细胞团出发，经过卵黄囊、肝脏到骨髓定居，只是完成了几次迁移，而本性并不一定改变，你能说一个人出生在上海，然后在北京上学，到旧金山工作，最终定居巴黎，他换了一个人吗？因此定居于成体骨髓中的骨髓干细胞其实与胚胎干细胞在本质上是同一种细胞。3 `2 N: r5 J; E! Z

, h2 L% z4 U+ b: u% L6 x$ }    另外这也可解释近年来发现的骨髓干细胞的多潜能性结果，最基本的例子是骨髓移植，光中国每年有成百例进行，包括男性骨髓移植到女性、或女性移植到男性，在移植成功患者体内可发现几乎任何组织中都具有供体标记的细胞存在（如Y染色体标记），而且这些细胞具有相应组织成熟细胞的功能。
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# i& V0 V& _" b9 W: \7 d% k' ~( e2 a    虽然干细胞居住于翕（nich）中，[龛是中国老百姓用来放神灵（如观音和观公等）的墙壁上的孔室，干细胞被认为就隐藏在人体内的各种龛中]，但他其实并不安静，其中有0.03%的干细胞会随着血液在全身巡游，哪有需要就在哪里”战斗”。而当前各实验室分离到的各种组织干细胞其实很可能是在血液中巡逻的骨髓干细胞或钻出毛细血管在相应组织中待命的干细胞（获得贴壁生长特性）。至于为什么脑组织再生能力缺失，则可认为是血脑屏障存在的原因（胎盘屏障估计干细胞也过不了）。/ H# C# Y( U2 Y7 a, y) s. u. w
     目前符合干细胞定义的细胞至少基于以下几个特性：1）自我更新能力；2）非限制性的增殖、分化性能；也可在较长时间内处于静止状态（G0期）；3）至少能产生一种以上的子代细胞；4）不对称的分裂特性。发育成别种细胞的强劲驱动力乃是干细胞的一个重要特性，但其实应该给予充分认识的是，不对称分裂特性才是干细胞的最重要特性，它是干细胞其它三个特性的基础和源泉。

raymandd

Thanks. Waiting for your next post.

marrowstem

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( A/ Y4 ?6 _+ n, R2 E6 M- e三、不对称分裂
, D4 s, ^2 ^5 _* H8 f. H* S9 ?7 _% }       通过不对称分裂，干细胞产生的两个子代细胞具有不同的发育命运——或保持亲代特征，仍作为干细胞保存下来；或不可逆地走向分化的终端，成为功能专一性的末端成熟细胞。因此通过不对称分裂，干细胞一方面满足了自我更新的需要，另一方面，获得相应发育命运的一子代细胞，通过进一步的分化产生各种类型的成熟细胞。所以，对干细胞第一次分裂所产生的两子代细胞，我们可分别视之为阴和阳细胞，象中国古代八卦图中的阴阳鱼。其中阴细胞所代表的子代细胞与母干细胞完全一致，它们往往处于休眠状态（G0期），此可维持干细胞在体内的稳态性，终生保持不对称分裂的发育多潜能性；而阳细胞则因为相应的基因被激活，会沿着一定的发育途径向下分化，它们也称为”工作细胞’’，（working cells）。: Z; v" d" v! a, c

5 _$ d4 U7 x' J! l       目前也有充分的证据显示，细胞的分化主要发生在干细胞到前体幼稚细胞（干细胞分化的下一级细胞）的途径中，细胞的增殖（细胞数量上的增加）则主要发生在前体细胞到成熟功能细胞的过程中。因此，干细胞在体内决不是以多余的方式存在，一方面它们对机体发育极端重要，另一方面它们为机体的组织损伤或细胞的新旧交替提供“原材料“。干细胞阴和阳间的平衡可认为是使机体保持稳定及生命得以延续的基础。
  b; Y2 `3 G2 O# g     此外，肿瘤也是在干细胞水平发生的疾病，我们知道机体内细胞可归类为两个集团：一个是干细胞集团，一个是功能细胞集团，功能细胞负责干细胞生存环境，向干细胞提供营养并传递损失，而干细胞则负责补充功能细胞在自然环境中受到损伤而引起的细胞损失。这样一来，功能细胞与干细胞处于互相支持、互相决定的循环关系中。对此，疾病也可以分为两类：功能细胞疾病和干细胞疾病，功能细胞疾病是指那些虽然造成功能细胞损伤或死亡，但尚未影响到干细胞的正常功能，这些就是临床所说的功能性疾病。而干细胞病是指那些功能细胞大量受损死亡，已经影响到干细胞不能正常再生及分化，此往往导致恶性肿瘤的发生。因此癌症是干细胞水平发生的疾病，干细胞增殖分化失控是癌症形成的先决条件。而体内干细胞最终消失遗尽则是结束个体生命的时刻（机体失去免疫）。此外本人认为肿瘤干细胞应只是科学家杜撰出来的一个概念，因为它无法解释良性肿瘤的恶性转变机制，如果称为“肿瘤启始细胞”则较合适。恶性肿瘤细胞分裂可等同于核武器的核裂变。另外一个可以打赌的概率是，良性肿瘤所含的细胞总数总是双数，而恶性的细胞总数则是单数（娱乐为主）。2 M0 ~( J+ y+ G$ a  l

have-a-rest

窃以为，上述的阴阳八卦图加以抽象和发挥，可以作为干细胞之家的logo呢！
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marrowstem

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四、生命中的相对论
; D- z) W  o9 `      基于干细胞在生命体内的作用角色和相应特性，我们是否可提出“生命中的相对论”这样一个概念，这也许是目前在生命科学界首次提及这样一个称谓，大多数的干细胞在平常情况下处于休眠状态、且保持增殖和分化潜能。因此，个体虽然无时无刻的在经历时间“洗礼”，但对于干细胞来说，则意味着时间是停止不前的；当某些刺激来临时（细胞的衰老或死亡所发出的信号），相应部位的干细胞会苏醒过来，发生一次不对称分裂，产生的两子细胞，其中一个与母干细胞完全一致，而另一子细胞则走向发育分化的命运、更替死亡细胞。因此对于产生的子干细胞时间还是停止不前的，因为它与母干细胞完全一致；而对于已获得极性的那个子细胞来说，它们会一步步的向下分化，产生具有成熟功能的细胞、完成损伤组织的修复，对它们来说，时间是延续的，细胞有生有死，此即为干细胞在概念上所包含的“相对论”意义。
3 j7 K$ ~0 X8 J# m     针对干细胞生物学特性更进一步的层次是分子生物学，其实基因的转录和复制也符合“相对论”法则。基因所隐含的生命活力藏在两段互为碱基配对的DNA双链上，DNA链的复制意味着细胞的分裂，复制一次、细胞分裂一次。所有生命信息完整的赋予子代细胞，而转录则意味着细胞的分化，DNA把信息传递给RNA，由一条模板链（DNA）来完成，产生的RNA链与模板链遵循碱基配对原则，然后是翻译，产生蛋白，完成机体所需。
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    基因是生命活力的源泉，它的DNA双螺旋配对原则与干细胞的分裂具有一致性，一条母链通过碱基配对方式复制产生一条子链，母链则保持信息上的完整性，此等同与干细胞产生子干细胞过程，干细胞完成自我更新，因此对它们来说时间也是停止不前的；而相对于转录，则意味着基因活力的产生，也即基因的功能被表达出来了，此等同于分裂产生具有分化活性细胞的过程。基因的表达具有时空特性，是机体产生细胞多样性及多量性的基础，并决定细胞能多量增殖和及时的进行分化。; m  p; b, \# z1 X% Z2 l
     因此对于一个生命个体来说，干细胞通过不对称分裂特性，完成的是广义意义上的相对论法则，而干细胞核内的DNA，通过DNA碱基配对原则，则执行的是狭义意义上的相对论法则，通过这两个相对论法则，导致一个生命在时间和空间上具有意义，导致生命的存在和延续。此外，另外一层意义上的生命延续是物种的传种接代功能，此由生殖干细胞来完成，采取有性生殖手段繁育后代是高等生物在进化过程中的一个选择，生殖细胞与体细胞分家，且被特别保存起来，体细胞干细胞专注于机体的组成和特定功能作用的发挥，而生殖干细胞则专注于执行专门的育种功能，从而使生命代代相传、生生不息，精子和卵子是身体内唯一永恒的部分。
' S3 ?1 t( d$ k/ F$ n" i     干细胞从某种意义上是永生的，干细胞能“永保青春”正是基于它能永久分裂，而本身又保持不变的生理特性，这是“相对论”在生命中隐藏的一个基础和结果。但随着机体的衰老，干细胞也会被动的发生“老化”，原因是机体整个内环境的变化，具体到实处则是干细胞巢(nich)所处环境的变化及干细胞在不断分裂过程中端粒DNA的丢失。因此，对于单个机体来说，什么时候体内最后的一个干细胞丧失完成最后一次不对称分裂所应有的能量，那么这个时候这个个体就pass bye to bye。(the end)
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yusheen

写的很好，很有见地，学习了，谢过