Science：染色体组，多多益善？

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Science：染色体组，多多益善？- c9 R6 }' _, j3 w( g- |9 A* V
2014-02-26 1 来源：lifeomics 作者：筱玥 4 Y0 q+ e, h8 U0 e- t

) b" |5 g; i, K( z( v图中白色表示的是染色体，这是一个正准备分裂的人体细胞，其中含有四套染色体。
/ z* V& t" ~6 X- d5 G很多哺乳动物细胞里都含有过量的染色体，科学家们将这种状态称作多倍体（polyploidy），这些多倍体有什么用处呢？( Z- n, D' v+ X6 }# N1 h0 P) P
众所周知，分裂的细胞都遵循相同的规律。DNA先完成复制，然后细胞开始分裂，最终形成两个子代细胞。所以当美国俄勒冈健康与科学大学（Oregon Health & Science University in Portland）Markus Grompe实验室当年的博士后Andrew Duncan在几年前将他拍摄的小鼠肝细胞分裂录影给实验室的同学们看完之后，大家都感到非常吃惊。目前已经是美国匹兹堡大学（University of Pittsburgh in Pennsylvania）组织生理学家的Duncan回忆说：“我们当时看到一个细胞分裂成了3至4个子代细胞。”一般来说，在细胞分裂前，染色体都会整齐地排列在细胞中部，可是在这些肝细胞内，染色体的排列却没有遵从这种传统，它们在细胞内聚集形成了好几块。
; u. o/ ~8 g  q6 \/ ?这些待分裂的肝细胞会经历一系列不常见的变化，这主要是因为它们携带了过量的染色体，即它们是多倍体细胞。多倍体现象在植物、昆虫、鱼类和其它一些物种中都是非常常见的现象。可我们人体内的绝大部分细胞都是二倍体细胞（diploid），也就是说这些细胞内只含有两套染色体，其中一半来自父亲的精子细胞，另外一半来自母亲的卵子细胞。实际上，在哺乳动物细胞内如果出现过量的染色体，通常来说是会带来麻烦的。不过在人类和其它哺乳动物中，有部分正常的细胞内会出现过量的染色体，而且可以超过正常情况的1000倍。虽然肝细胞分裂的视频让人感到很意外，但是大家也早就知道，肝细胞内也和心肌细胞与骨髓细胞一样，的确是存在过量的染色体的。
1 j7 J; p3 k3 g8 t数十年来，科学家们一直在猜想多倍体对哺乳动物细胞有什么好处，是不是能够促进蛋白质的合成，但是他们至今也没能验证这些想法。不过科学家们后来发现了几个与多倍体调控有关的蛋白质，才出现了一点改观。在这些蛋白质的帮助下，科研人员终于能够对细胞内染色体的数量进行上调或下调，他们最近开始用这种方法研究非二倍体对细胞的功能会带来哪些影响。过量的染色体是否就只是增加了染色体的数量而已呢？是否能够帮助细胞更好地应对应激或者损伤等异常事件呢？美国北卡罗莱纳大学教堂山分校（University of North Carolina, Chapel Hill）的发育遗传学家Robert Duronio认为，有一个问题至今没能解决，那就是为什么有的细胞是多倍体细胞，我们应该首先解决这个问题。6 q7 Q& F1 n. E
虽然科学家们现在还不知道多倍体对细胞有什么好处，但已经有科研人员开始打算利用多倍体现象了。他们希望利用多倍体现象来攻克癌症，让肿瘤细胞不受控制的疯狂分裂被迫停止下来。
2 ?2 U6 W+ k3 X4 Y超载的风险
. W9 @& P1 v. {* o; ?) _Duronio等人曾经在2009年发表的一篇文章中这样写到：“多倍体现象是一种危险的情况。”对于习惯了只有两套染色体的哺乳动物细胞来说，增加哪怕一条染色体也是有风险的。比如如果人体细胞内多了一条21号染色体，就会导致唐氏综合症（Down syndrome）发生。
# s; W: R8 `  d  S2 [( _8 p& T" i, }多倍体还会带来另外一个问题，据美国波士顿市Dana-Farber癌症研究中心（Dana-Farber Cancer Institute in Boston）的细胞生物学家及儿科肿瘤学家David Pellman介绍，多倍体现象会导致癌症。他的同事Rameen Beroukhim曾经在去年在《自然 遗传学》（Nature Genetics）杂志上发表过一篇文章，Pellman拿着这篇文章向我们介绍道，大约有37%的癌症细胞是多倍体细胞。虽然多倍体并不总是会导致癌症，但这也是一大危险因素，细胞也会尽一切可能地防止这种事情发生。p53蛋白是非常著名的抑癌蛋白，有“基因组卫士”之称，如果细胞内DNA的数量出现问题，p53蛋白就会命令细胞凋亡，或者停止分裂。因此美国俄亥俄州立大学（Ohio State University, Columbus）的生物学家Gustavo Leone认为，细胞只有先让p53蛋白，以及其它守卫机制失效之后才能够成为多倍体细胞。3 \; P! T, ^* ]
由于对细胞周期的研究开展得比较深入，打下了很好的基础，所以科学家们现在对多倍体产生的分子机制也有了一定程度的了解。细胞周期就包括DNA复制和细胞分裂。在整个过程中都有一套复杂的蛋白质调控网络在时刻监视并掌控着。科学家们已经发现，其中有一些蛋白质能够促使细胞变成多倍体细胞。
3 A7 J8 t3 w7 ^+ w; T' j( h; Z为了改变细胞内染色体的数量，有科研人员最近构建了一种经过遗传学改造的小鼠，对这些小鼠细胞内控制多倍体的启动子的数量进行了增减。比如美国波士顿大学医学院（Boston University School of Medicine）的生化学家Katya Ravid等人就对巨核细胞（megakaryocytes）进行了改造，进一步增强了巨核细胞（这是一种免疫细胞，位于骨髓组织内，能够裂解形成血小板，促进凝血）的多倍性，看看这会给细胞带来怎样的改变。巨核细胞往往含有100多个基因组拷贝，科学家们怀疑大量的基因组有助于细胞裂解形成血小板（platelets）。" ~# @* M/ R* d, c4 L
2010年，Ravid的科研小组成功的构建出了一种小鼠动物模型，这种小鼠细胞能够表达过量的多倍性促进蛋白（polyploidy-promoting protein）。虽然这种小鼠巨核细胞内染色体的数量的确增多了，但是却并没有如他们预期的那样，观察到血小板增多的现象，他们的这一研究成果发表在了《生物化学杂志》（The Journal of Biological Chemistry）上。Ravid认为多倍性只是促使巨核细胞合成了大量结构蛋白，以及与周围组织粘附的蛋白。
7 ]  _6 b5 p4 b% d大块头有大智慧
! E+ }  x4 @* X美国宾夕法尼亚大学医学院（University of Pennsylvania School of Medicine）的生物物理工程师Dennis Discher对多倍性给出了另外一种解释。他认为多倍性对于巨核细胞的意义也许就和高热量饮食对于相扑选手的意义一样，就是帮助细胞长得更壮实一些。骨髓组织与血液循环系统之间被一层膜给隔开了，这层膜上有一些小孔，巨核细胞只能够呆在骨髓组织这一边，不能透过小孔进入血液循环系统。Discher等人最近对骨髓组织进行了研究，他们测量了不同骨髓细胞的大小，看看哪些细胞能够透过这些小孔，结果发现巨核细胞由于含有大量的染色体，因此很难折叠、穿过这些小孔，哪怕小孔变得更大一些都不行。所以Discher这样解释道：“如果你问我为什么巨核细胞是多倍体细胞，我认为这主要是为了让巨核细胞留在骨髓组织内。”他们的这一研究成果于去年11月19日发表在了《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。
3 C7 C; ~5 K6 K  I& C. s, S科学家们也在其他方面找到了证据，证明多倍性能够给细胞带来这种体积上的变化。美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的Terry Orr-Weaver和Yingdee Unhavaithaya在2012年时曾经对果蝇进行过研究，他们发现如果降低果蝇血脑屏障细胞内多倍性促进蛋白的表达量，细胞的体积就会缩小，血脑屏障的通透性就会增高。如果提高这些蛋白的表达量，细胞体积就会变大，血脑屏障的通透性就会降低。美国印地安那大学伯明顿分校（Indiana University，Bloomington）的生物学家Brian Calvi认为，很显然，增大细胞体积的做法要优于促进细胞分裂、生成更多细胞的做法，因为后者需要细胞与周围邻近细胞脱离，这就有破坏屏障功能的风险。. M* C2 A6 k2 K/ y2 E
不过Leone课题组开展的科研工作就没有考虑细胞体积的作用，他们对多倍性最明显的一种哺乳动物细胞进行了研究，这是位于胚胎外层的滋养层巨细胞（trophoblast giant cell），它可谓是多倍性界的冠军，小鼠滋养层巨细胞里就含有1000多个基因组拷贝。这些细胞能够帮助胚胎植入母体的子宫内，科学家们认为染色体数量的增加能够帮助细胞快速变大，使胚胎穿过子宫壁。
3 h: L  o/ Z! F- U5 Q! w- ^7 B% `Leone课题组将小鼠滋养层巨细胞里的多倍性促进蛋白编码基因给敲除掉了，他们认为这种改变会使胚胎死亡，因为他们推测这会影响胚胎的植入过程。“我们认为多倍性真的非常重要。” Leone介绍说。虽然基因被敲除之后，滋养层巨细胞里的染色体数量变少了，细胞的体积也变小了，但是小鼠胚胎却还是好好的，并且成功地孕育出了至少看起来是健康的子代小鼠，该研究于2012年发表在了《自然 细胞生物学》（Nature Cell Biology）杂志上。3 I7 u7 a9 |+ S% J
雄厚的储备
1 _0 _% F8 f' ~+ M4 E心脏和肝脏是我们人体内非常“辛劳的”两种器官，其组成细胞也是多倍体细胞，对于这两种细胞的多倍性现象有何作用，科学家们正在努力解答这个问题，他们提出了另外一种解释。他们认为过量的染色体有助于提高细胞在高负荷下的工作能力，同时也有助于提高细胞的整体弹性（resilience）。美国杜克大学医学中心（Duke University Medical Center in Durham, North Carolina）的生物学家Donald Fox认为，实际上，对于很多种细胞来说，多倍性是一种帮助它们更好地应对应激，提高适应性的物质储备。
5 v7 }: z: [# H一项小鼠心脏研究为这种理论提供了数据支持，这些小鼠心肌细胞里都含有4套染色体。2010年，德国马克普朗克心肺研究所（Max Planck Institute for Heart and Lung Research in Bad Nauheim, Germany）的干细胞生物学家Thomas Braun对一种试验小鼠进行了研究，这种小鼠肌肉细胞和心肌细胞里缺少了一个多倍性促进基因。虽然这种小鼠的心肌细胞并没有全都变成二倍体细胞，但也使细胞内的染色体数量减少了1/3。) L4 f) o# [4 x; [$ E& `
据Braun介绍，在基线水平时这些细胞都很正常。但是当这些小鼠心脏病发作时我们就能看出问题了。染色体数量减少的心脏的泵血量明显要比对照组小鼠少，该研究详见《循环研究》（Circulation Research）杂志上的文章。不过具体的原因还不清楚。
( Q. i6 M9 P* O4 ]1 B2 vDuncan等人对肝脏开展的同类研究也支持了多倍性有利于改善应激反应的理论。肝脏与其它哺乳动物器官不同，肝脏在受损后拥有强大的再生能力。肝脏内也拥有大量的多倍体细胞，比如人体的肝脏内就大约有一半的细胞是多倍体细胞。/ D+ F/ `+ k0 Z' c  K* Q! q4 ~

+ f2 Z; ?: _1 D过量的DNA。哺乳动物体内也有很多多倍体细胞，它们所处的位置、功能，以及胞内含有的染色体数量都各不相同，详见上表。右图所示的肝细胞内也含有多余的染色体（蓝色所示），这些染色体聚集成3块，细胞正准备分裂。7 }& U& V+ z# C- v
Duncan的课题组最开始打算研究的课题是这些多倍体肝细胞是否是终末分化细胞（terminally differentiated），即它们是成熟的细胞，不用再继续分裂，为肝脏提供细胞补充了。他们将多倍体肝细胞移植到肝脏被部分切除的小鼠体内。“结果让我们大吃一惊，这些多倍体细胞将受损的肝脏修复如初。” Duncan介绍道。
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这就是一个肝细胞的染色体情况，肝细胞内几乎每一条染色体都有四个拷贝。
, \, a# t+ A* G& O- O- [7 p然后Duncan等人将肝细胞放到显微镜下进行观察，结果就观察到了我们在最开始介绍到的异常的细胞分裂现象。他们还发现了其它异常情况。正如他们于2010年发表在《自然》（Nature）杂志上的那篇文章中介绍到的，这些多倍体细胞分裂之后最终会生成二倍体子代细胞。但是这些二倍体细胞往往都不太正常，它们不是多了一条染色体，就是少了一条染色体，科学家们将这种现象称作非整倍体现象（aneuploidy），这往往是不良的预兆。据Duncan介绍，大部分从事肿瘤研究的人都会这样告诉你，非整倍体跟肿瘤就是一回事。( Q4 i1 c* P" l$ X* o
但是很多科研人员也认为非整倍体有助于在组织和器官内形成对生物有益的遗传多样性，帮助细胞增加有益的基因拷贝数，或者减少有害的基因拷贝数。在Duncan等人研究多倍体肝细胞对小鼠受损肝脏的修复作用时他们发现，在修复作用发生处的肝细胞非整倍体现象最为明显。他们发现在人体肝脏内也有很多的非整倍体细胞。1 B6 O$ l% B2 a; u% k2 i0 ?0 t8 D
“有一个问题至今没能解决，那就是为什么有的细胞是多倍体细胞，我们应该首先解决这个问题。”/ S9 G: Q' Q1 J, r8 Q0 a6 S. @5 x
——美国北卡罗莱纳大学教堂山分校发育遗传学家Robert Duronio8 @0 v3 E- @$ H, @# z8 L1 A6 u
Duncan现在认为，肝脏内的多倍体现象是一种间接生成具备再生修复功能的非整倍体细胞的途径和方式。他的课题组正在研究这种细胞对乙型肝炎（hepatitis B）患者受损的肝脏是否也具有修复作用。很多乙型肝炎患者都因为没能等到移植肝源而丧命。可还有很多患者也因为肝脏的再生修复而幸存了下来。科研人员们正在采集组织样本，以确定在这些肝炎患者的肝脏组织内再生最明显的位置是否也存在大量的非整倍体细胞。  ~7 \4 K9 y( t
认为多倍体细胞有助于组织再生和修复的观点目前这还只是一种假说， Leone等人的研究发现，以及荷兰乌得勒支大学（Utrecht University in the Netherlands）的病理学家及兽医Alain de Bruin的成果也都强调了这一点。他们构建了一种小鼠动物模型，这种小鼠的肝脏内缺失了两种多倍性促进蛋白，“我们构建的这种小鼠的肝细胞几乎都是二倍体细胞。” De Bruin介绍道。Leone和De Bruin这两个课题组都希望这种小鼠的身体不再那么健康。可让人失望的是这些小鼠全都是生龙活虎的，他们也各自于2012年在《自然 细胞生物学》（Nature Cell Biology）杂志上发表了论文，而且这些小鼠的肝脏受损失之后，其再生修复能力也没有受到丝毫的影响。比如De Bruin课题组的试验鼠在手术切除了部分肝脏组织之后就能够再生修复，肝脏恢复到受损之前2/3大小的水平。“这种多倍性对组织的再生及生长速度都没有影响。” De Bruin介绍道。4 ~% T: r* J$ g, I, u, V# l  P
Leone和De Bruin这两个课题组的研究也推翻了另外一种有关多倍性的假说。De Bruin指出：“肝脏总是在接触有毒物质。”肝细胞的作用就是化解这些毒物的毒性，因此有些科研人员就认为，这些多出来的染色体能够帮助肝细胞合成更多的解毒蛋白。可是De Bruin课题组的小鼠试验发现，二倍体细胞的解毒能力丝毫不受影响。
  k0 b- P# j8 u1 w如何利用多倍性现象
" J! s" Z* L# w就在De Bruin等人努力探究多倍性奥秘的同时，另外一部分科学家则在琢磨是否有可能利用这种现象。美国西北大学Feinberg医学院（Northwestern University’s Feinberg School of Medicine in Chicago, Illinois）的白血病生物学家John Crispino等人一直都在关注一种由巨核细胞病变引起的急性白血病，患上这种病之后基本上就等于是被宣判了死刑。成熟的巨核细胞并不会继续分裂，但是这种肿瘤巨核细胞却并不成熟，也不是多倍体细胞，细胞的复制出现了问题，所以才会癌变。Crispino等人认为，如果迫使这些肿瘤细胞变成多倍体细胞并成熟起来，可能就会找到一条治愈该疾病的新方法。
) D7 a/ J) b, c' I9 Z' ]0 }该课题组在2012年时在《细胞》（Cell）杂志发表了一篇论文，他们发现有200多种化合物能够促使人巨核细胞变成多倍体细胞。其中有一种物质就是alisertib，该药物正在进行好几项临床试验，检测它对多种肿瘤的治疗效果，不过这些试验都与其促多倍性功能无关。Crispino的团队也正在筹划招募急性髓细胞样白血病（acute myeloid leukemia）患者，对alisertib进行第一轮安全性测试。3 ?/ b( I2 P0 _* p0 D& e. p8 G/ h
虽然研究多倍性问题的科研人员在最近这几年里取得了一定的成绩和进展，但他们还是没能好好利用多倍性给细胞带来的优势和益处，将这种优势扩展到其它的正常哺乳动物细胞中。Leone认为应该从植物学家那里取取经，因为植物学家们已经在特定的环境条件下检测过多倍性给植物带来的优势，发现多倍性能够帮助植物耐受高盐环境（Science, 9 August 2013, p. 658）。所以生物学家们也可以对肝细胞进行类似的试验，比如看看多倍性是否能够帮助我们适应某种特定的饮食等。对多倍性问题的研究越深入，就越能够带给我们更多的惊喜。Duronio预测说：“将来，多倍性一定会有很大的用处，我们现在还只是摸到了一点皮毛而已。”# W* @2 {/ G/ A# e! M4 P, Z3 ^. I4 `' L
原文检索：
/ P+ l# P( I# w6 U- C4 t7 j2 W; ?Mitch Leslie. Strength in Numbers?. Science 14 February 2014; DOI: 10.1126/science.343.6172.725& i6 B6 l9 J7 C: d5 M2 T! h2 {

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嘻嘻，染色体多多益善，说明癌细胞更健壮！