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本文聚焦细胞命运可塑性，阐述其原理、定义，对比不同体细胞可塑性差异，剖析限制重编程的因素，以髓系祖细胞为例探究可塑性机制，还探讨了未来整合生化与生物物理线索操纵可塑性及推导细胞年轻化的方向。
引言
在 Yamanaka 之后的时代，细胞命运展现出了新的可塑性。就像 Waddington 理论中，细胞命运不再只是单向发展，而是可以逆转或改变方向。Yamanaka 因子部分重编程能逆转衰老特征，这让人们看到了细胞再生和年轻化的希望。本文旨在回顾细胞命运可塑性研究的重要节点，从特殊体细胞状态获取分子层面的见解，并探讨如何利用其实现再生和年轻化。同时，提出衰老、老化和恶性肿瘤代表着具有明确生化和生物物理参数的不同细胞状态。
细胞命运可塑性的原理：一个基因组脚本，多种解读
在发育过程中，单细胞胚胎及其后代具有发育成未来生物体所有细胞类型的潜力，这种 “一到多” 的能力就是多能性（pluripotency）。随着发育的进行，细胞的谱系潜能通常会受到限制，如在体外培养中可体现为原始（na?ve）、形成（formative）和启动（primed）多能性。以往认为发育过程中潜能的丧失是不可避免且不可逆的，但体细胞核移植克隆动物的成功，以及 Yamanaka 利用四个转录因子（TFs，Oct4、Sox2、Klf4、cMyc，即 OSKM 或 Yamanaka 因子 ）诱导小鼠和人类体细胞产生多能性的实验，改变了这一认知。此外，蝾螈和涡虫等生物的再生能力也凸显了体细胞可塑性的强大，其再生过程涉及体细胞去分化为干细胞样细胞，然后再分化，这一系列过程本质上都是细胞命运重编程。由此可见，细胞可塑性和重编程的原理是解锁细胞隐藏可塑性的关键。
细胞命运可塑性的定义
细胞命运可塑性是指细胞具有接受新身份的能力，这些新身份在生化、形态和功能上都有所不同。多能细胞，如早期胚胎细胞及其体外培养的对应细胞，具有高度可塑性，能产生所有细胞类型。组织干细胞也具有可塑性，可补充因稳态更新或损伤而丢失的细胞。重要的是，可塑性并非干细胞所特有，成纤维细胞、角质形成细胞、白细胞等许多分化细胞在适当条件下也能获得不同身份。在认识到大多数细胞都存在可塑性后，关键问题是如何获取和调控这种可塑性。
原始多能性作为衡量成人体细胞可塑性的通用远距离细胞状态
比较细胞可塑性程度时需要考虑多个参数，包括细胞能获得的替代身份数量，以及源细胞和靶细胞之间的谱系距离，跨越胚胎胚层的转变通常需要更强的可塑性 。此外，源细胞转变为靶细胞的效率也是一个参数，但由于不同靶细胞培养条件不同，低效率重编程可能是培养条件不佳导致的，并不能完全反映源细胞可塑性的高低。为了简化和标准化不同源细胞可塑性的比较，可将原始多能性作为通用靶细胞状态，因为其培养条件在不同研究中具有可比性，即细胞对 Yamanaka 重编程的接受程度可作为评估其可塑性的指标。
可塑性在体细胞类型中分布不均
以原始多能性为共同靶细胞类型进行研究发现，可塑性在不同体细胞类型中分布不均。例如，胚胎成纤维细胞（MEF）比成年尾尖成纤维细胞更具可塑性；在造血干细胞和谱系定向祖细胞中，髓系祖细胞重编程效率更高。部分髓系祖细胞，如粒细胞和巨噬细胞祖细胞（GMPs），能快速产生全能后代，这类细胞被称为 “特权细胞（privileged cells）”，也被称为 “精英细胞（elite cells）” 或遵循 “确定性重编程轨迹（deterministic reprogramming trajectory）” 的细胞，与随机重编程的细胞形成鲜明对比，其生化和生物物理状态为研究可塑性的分子基础提供了线索。
概述：当异位转录因子发挥作用时，可塑性就会出现
细胞中存在至少三个层面的限制，阻碍异位 TFs 对靶细胞进行重编程，包括异位 TFs 难以接近其基因组靶点、难以接触转录机制，以及缺乏维持活性的 “支持”。
染色质可及性 —— 何时以及如何突破？
染色质调控在重编程研究中备受关注。细胞中的 DNA 以染色质形式存在，带有化学修饰，并以复杂动态的方式包装。DNA 复制时，染色质上的修饰和信息需精确复制，否则会改变染色质可及性。例如，抑制组蛋白伴侣 Chaf1 可大幅提高重编程效率。特权细胞的一个显著特征是细胞周期异常快速，仅持续 6 - 8 小时。此外，还存在 “先锋因子（pioneer factors）”，它们对染色质的可及性受核小体的阻碍较小。OSK 被证明是先锋 TFs，促进全局染色质开放通常能提高重编程效率。髓系细胞还拥有独特的染色质可及性调节机制，如组蛋白 H3 尾部剪切和 Padi4 介导的连接组蛋白瓜氨酸化，但这些机制对髓系祖细胞可塑性的贡献尚不明确。
争夺通用转录机制的更大份额？
异位 TFs 结合到染色质靶点后，会与通用转录机制相互作用来发挥功能，但通用转录机制也需转录源细胞的固有基因，因此异位 TFs 和内源性细胞身份 TFs 之间存在竞争。多项证据支持这一竞争模型，例如开启多能性基因需要沉默 “体细胞身份基因”；除 Yamanaka 因子外，其他 TFs 也能诱导多能性；改变某些染色质标记可促进重编程 。细胞外信号调节激酶（ERK）在环境信号和细胞身份之间起连接作用，ERK 可磷酸化并释放暂停在启动子上的 RNA 聚合酶 Pol2，促进谱系增强子的形成。ERK 活性决定了转录机制在不同 TFs 之间的重新分配动力学，进而影响细胞命运可塑性。研究发现，调节 ERK 水平可影响成纤维细胞的重编程效率，髓系祖细胞（GMPs）的基线 ERK 活性较低，而快速循环的 MEFs 在重编程过程中 ERK 活性较高且逐渐降低，随机重编程行为可能与 ERK 活性过高或过低有关。
支持转录因子持续活动？
重编程 TFs 结合到靶位点并启动转录后，细胞需要维持其活性，避免细胞衰老和凋亡。因为 OSKM 表达本身可能导致细胞衰老和凋亡，衰老细胞或端粒较短的细胞难以重编程，而缓解或克服衰老的机制则有助于重编程。在重编程诱导过程中，TFs 对 DNA 的作用可能引发凋亡和衰老，DNA 转录和复制区域的拓扑结构变化产生的 R 环、超螺旋等，若不能被相关酶有效解决，可能导致复制叉停滞和基因组不稳定，进而引起细胞死亡或衰老。例如，Parp1、RNaseH 和同源定向修复活动对重编程至关重要，在神经元 TF 驱动的运动神经元重编程中，细胞的超增殖和超转录能力依赖拓扑异构酶活性，这表明细胞表达的 DNA 拓扑酶的类型、水平和活性可能是决定细胞可塑性的因素之一，但髓系祖细胞在 DNA 损伤敏感性和信号传导方面的差异及其对细胞可塑性的潜在贡献仍不清楚。
理解髓系祖细胞的可塑性
除了天然存在的 GMPs，经 18 小时 C/EBPα 表达处理的前 B 细胞可产生 B′α 细胞，其状态与 GMPs 高度相似，可能遵循特权重编程轨迹。B′α 细胞的可塑性源于多种机制：去除培养基中的血清可更好地展现其高效重编程能力，说明培养环境对其重编程轨迹有影响；B′α 细胞中 Myc 成分较高的细胞更像 GMPs，Myc 虽不是 OSK 重编程的必需因子，但可促进细胞增殖，提高重编程效率；C/EBPα 可通过促进 Tet2 核定位和上调 Klf4 来促进染色质开放，还能重新定位超级增强子（SE）蛋白，如将 Brd4 从 B - SE 重新定位到 ESC - SE ；不过，长时间表达 C/EBPα 可能会与 OSKM 产生竞争，不利于重编程。此外，C/EBPα 将 B 细胞重编程为巨噬细胞的过程中，可能诱导了髓系细胞生物学特性，赋予了细胞可塑性。
未来问题
整合生化和生物物理线索来操纵细胞可塑性
细胞是生化和生物物理过程的综合产物，二者相互作用、相互调节。例如，炎症信号可使巨噬细胞核变软，促进染色质可及性；短暂的细胞核机械变形可启动染色质，促进重编程。以往对细胞命运可塑性的研究主要集中在生化方面，理解生物物理方面存在技术和概念上的挑战，如生物实验室难以制造高精度的相关设备，以及难以对物理操作的结果进行测量、干扰和解释。定义细胞命运可塑性的生物物理基础有助于设计和优化所需细胞类型的诱导方案，例如不同浓度的化学物质对不同细胞类型重编程的影响不同，明确细胞类型对相同化学信号的反应，有助于发现更有效的化学物质或其组合。
推导细胞年轻化的见解
Yamanaka 因子短暂表达后的细胞状态为细胞年轻化重编程提供了思路。虽然在生物体和许多组织 / 细胞类型中都观察到了年轻化效果，但不同细胞的年轻化程度和对生物体年轻化的贡献尚不明确。例如，髓系祖细胞在 OSKM 表达后的细胞状态有待研究。体内重编程结果显示，单剂量表达 OSK 的腺相关病毒可使造血干细胞和祖细胞区室年轻化，延长小鼠寿命并改善组织修复，但造血 / 免疫年轻化对生物体整体年轻化的贡献程度仍需确定。目前细胞年轻化重编程主要使用 Yamanaka 因子，但从理论上讲，其他转录因子也可能产生类似效果，深入理解细胞命运可塑性将有助于推导更多关于细胞年轻化的见解。
