Nature新文章解析干细胞命运机制

　　

生物通报道  我们的身体由万亿细胞组成，但所有的这些细胞均是由卵子和精子融合形成的单个细胞——受精卵衍生而来。受精卵中包含了发育成为人类所需的所有遗传物质，随着细胞分裂它将相同拷贝的信息传递到每个新细胞中。受精卵分化生成大量不同类型的细胞，就构成了像人类这样的复杂生物体。

那么如果每个细胞基因完全一致，它是如何生成皮肤、血液、神经、骨骼或其他类型的细胞的呢？干细胞读取的是相同的遗传密码，却又如何会分裂为迥然不同的细胞类型？

近日来自密歇根大学的研究人员发现了，细胞能够在干细胞分裂过程中区分看似相同的染色体拷贝的首个直接证据，指出有可能染色体拷贝上的不同信息是导致细胞类型多样化的根源。

在新研究中，来自密歇根大学生命科学研究所Yukiko Yamashita实验室的科学家们，揭示了干细胞能够区分两套相同的染色体拷贝，并在非随机染色体分离（nonrandom chromosome segregation）过程中将它们分配到子细胞中去的机制。他们的研究在线发表在5月5日的《自然》（Nature）杂志上。

Yamashita说：“如果能够弄清楚细胞以这种方式分裂的原因以及相关的机制，我们或许可以窥察到我们是如何从一个单细胞开始发育成为完整人体的。这是非常基础的科学认识，了解这些基本的生物学过程具有非常广泛的意义，有可能利用于治疗和药物发现中。”

在细胞分裂周期中，母细胞复制并生成两套相同的染色体。当细胞分裂生成两个细胞时，每个子细胞从母细胞处遗传获得一套染色体。在多数细胞分裂情况下，生成的子细胞与母细胞相同——例如，皮肤细胞分裂生成两个子细胞。

但在不对称分裂（asymmetric division）过程中，由一个细胞分裂生成的两个子细胞并不相同，例如一个皮肤干细胞会分裂生成另一个皮肤干细胞和一个普通皮肤细胞。在这种情况下，染色体拷贝中的遗传信息仍然相同，但细胞命运却不同。

Yamashita实验室利用来自果蝇睾丸的干细胞来研究了细胞分裂的过程。

“我们可以单细胞分辨率来鉴别果蝇生殖干细胞，因此它们是一种理想的模型，”Yamashita说。

干细胞成团且易于鉴别；它们分裂会生成另一个生殖干细胞和一个分化的成精原母细胞（ gonialblast），后者会最终变为精子细胞。

研究人员在果蝇干细胞分裂之时标记了每条染色体拷贝。利用这种方法，他们追踪了X和Y染色体拷贝移动到子生殖干细胞或成精原母细胞的趋向。他们证实，细胞可以将X和Y染色体拷贝区分开来，并显著偏倚性地将它们传递到子细胞中。

这是首个证据表明，细胞确实有能力区分相同的染色体拷贝，以一种受调控的方式将之分离。长期以来人们一直怀疑和猜测细胞存在这种能力，但却从未证实。

Yamashita 说：“我们并不知道X和Y染色体拷贝非随机分离的原因。我们认为或许有特异的表观遗传信息传递到了生殖干细胞和成精原母细胞中。”

这些研究结果表明，实现这种分裂方式的X和Y染色体上的信息，在配子发生过程中已预先设定。

机体内许多其他的细胞也能够分裂形成两种不同的形式，尤其是在胚胎发育过程中。Yamashita接下来打算进一步探究果蝇中见到的非随机染色体分离，是否是包括人类在内的哺乳动物所共有的一种普遍现象。

（生物通:何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Chromosome-specific nonrandom sister chromatid segregation during stem-cell division

Adult stem cells undergo asymmetric cell division to self-renew and give rise to differentiated cells that comprise mature tissue1. Sister chromatids may be distinguished and segregated nonrandomly in asymmetrically dividing stem cells2, although the underlying mechanism and the purpose it may serve remain elusive. Here we develop the CO-FISH (chromosome orientation fluorescence in situ hybridization) technique3 with single-chromosome resolution and show that sister chromatids of X and Y chromosomes, but not autosomes, are segregated nonrandomly during asymmetric divisions of Drosophila male germline stem cells. This provides the first direct evidence, to our knowledge, that two sister chromatids containing identical genetic information can be distinguished and segregated nonrandomly during asymmetric stem-cell divisions. We further show that the centrosome, SUN–KASH nuclear envelope proteins and Dnmt2 (also known as Mt2) are required for nonrandom sister chromatid segregation. Our data indicate that the information on X and Y chromosomes that enables nonrandom segregation is primed during gametogenesis in the parents. Moreover, we show that sister chromatid segregation is randomized in germline stem cell overproliferation and dedifferentiated germline stem cells. We propose that nonrandom sister chromatid segregation may serve to transmit distinct information carried on two sister chromatids to the daughters of asymmetrically dividing stem cells.