5 M" ?0 s( { G- u3 u0 c “垃圾桶理论”也可以通过另一种方式实现,即细胞不是固定地把受到损伤的成分留在老细胞里,而是通过随机的过程进入任意一个“子”细胞中。“裂殖酵母”(fission yeast,Schizosaccharomyces pombe)不是靠出芽繁殖,而是进行对称分裂。在不利的条件下,变性的蛋白质会形成单个聚结物。细胞分裂时,这个聚结物会随机地进入其中一个“子”细胞。获得了聚结物的细胞就显现出老化的迹象,而没有继承到聚结物的细胞则保持青春活力。' [0 D1 P ~+ D$ w1 b* V1 T
2 ?. F2 ?8 z# ]( b/ H/ i& e 多细胞生物保持生殖细胞不老的机制 8 Z; J6 [6 C! E5 ` 3 D$ Q+ B; Q/ B$ u' ?. @ x 多细胞生物中生殖细胞“长生不老”的机制很难研究,因为生殖细胞和体细胞存在于同一个生物体中,所以很难把体细胞的衰老和生殖细胞的衰老分开。生物个体的寿命反映的主要是体细胞衰老的情况,而生殖细胞的衰老不一定直接反映在生物个体的寿命上,而是把生命传下去的能力,这就需要很多代的数据积累。由于许多动物个体的总体寿命大大超过生育寿命,个体之间生育寿命的差别也很大,生殖细胞的衰老也很难从生殖寿命的缩短看出来。 & o. t. ~; J: v , e K( m% l1 t/ N; X线虫(Caenorhabditis elegans)是研究这个问题比较好的材料,因为线虫的繁殖周期很短,只有3.5天,所以几个月内就能观察几十代。相比之下果蝇的繁殖周期约为11天,小鼠为两个月左右。而且线虫是自我受精的,不需要交配就能繁殖后代。科学家用甲基磺酸乙酯(EMS)在线虫的DNA中引起突变,再选择那些繁殖在若干代后终止的突变型。结果发现能够影响端粒复制的突变mrt2、与DNA双链断裂修复有关的突变mre-11,都能够使线虫的繁殖在数代以后终止,说明未被突变破坏的这两个机制都是生殖细胞的永生所需要的。 & e6 q/ Q- Y0 S2 u" O; W ; F* B: _- [+ @) r/ \: }4 Z& o0 @
端粒位于染色体的末端,本身也是DNA的序列,由许多重复单位构成。它就像鞋带两端的鞋带扣,没有它鞋带里面的线就会松开。由于DNA复制过程的特点,DNA每复制一次,端粒就会缩短一点。如果端粒不被修复,DNA复制若干次后,端粒就短到不再能够保持DNA完整的程度。这就是为什么人的成纤维细胞在体外只能分裂50来次就停止分裂并且死亡,因为这种细胞不能修复端粒。如果生殖细胞也是这种情形,生殖细胞也就不成为生殖细胞了。幸运的是,生殖细胞能够生产“端粒酶”来修复受损的端粒。一种理论认为,许多体细胞没有端粒酶的活性,是为了防止它们像癌细胞那样无节制地繁殖。而许多癌细胞由于像生殖细胞那样具有端粒酶的活性,所以能够无限制地繁殖。但是在通过出芽繁殖的面包酵母中,继承细胞损伤的“母体”细胞的端粒在细胞分裂时并不缩短,说明端粒酶活性缺失并不是“母体”细胞老化的原因。同样,DNA双链断裂的修复也是为体细胞的生存所需要的,体细胞也有这样的修复机制,所以这种机制也不大可能是生殖细胞永生的原因。 . ]4 \% S; k: L+ S4 a 2 e# J; a; ^: S8 F 1987年,英国科学家托马斯·科克伍德(Thomas Kirkwood,1951年出生)提出了生殖细胞永生的三种机制:1,生殖细胞比体细胞有更强大的维持和修复机制;2,生殖细胞特有的,使自己恢复青春的机制;3,只让健康的生殖细胞存活的选择机制。这几种机制都得到一些实验结果的支持。# J! U! d0 P* f* P
; u& }. n, x% Z, z3 \1 Z+ d 为了检验细胞的修复机制,科学家把外来基因转入小鼠的各种细胞中,包括小脑和前脑的细胞、胸腺细胞、肝细胞、脂肪细胞、和生殖细胞,再比较在这些细胞中外来基因DNA的突变率。结果发现在生殖细胞中,DNA的突变率最低。用动物自身基因的实验也得到了同样的结果。另一个办法是人为地在小鼠的DNA中引起突变,再看不同细胞修复的情况,结果也是生殖细胞的修复能力最高。/ R9 _6 C. q3 e' m b8 }
' g; T- U- }# `; _( w( O 生殖细胞特有的恢复青春的机制包括前面提到的不对称分裂以使老的细胞继承细胞损伤的产物,就像出芽酵母和大肠杆菌的情形那样。人在生成卵细胞时,两次减数分裂形成的4个细胞中,只有一个成为卵细胞,其它3个都变成“极体细胞”而退化,而不是4个细胞都成为卵细胞。这种“浪费”的做法也许就是把受损产物都集中到极体细胞中去,让卵细胞“全新开始”。恢复青春的机制还包括“外遗传修饰”(epigenetic modification)的重新设定,包括DNA的甲基化和组蛋白的乙酰化。它们不改变DNA的序列,但是可以影响基因表达的状况。生殖细胞和受精卵里面的外遗传修饰都是经过大规模改变的。: N& d* X9 e, _ I1 a, W
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生殖细胞的选择机制看来也存在。例如果蝇的卵子在形成的过程中,会有几波细胞的程序性死亡(apoptosis)。小鼠的精子在形成过程中,也有几波细胞程序性死亡。这些程序性死亡的目的可能是淘汰那些受损的生殖细胞。精子的选择也在受精过程中进行。几亿个进入阴道的精子中,只有一个能够与卵子结合。. ]7 |' @$ ]' Q$ g3 T6 B) l- R+ c0 T
% O) U3 q8 c$ k" e% W: q 这些机制看来都对维持生殖细胞的青春有作用,问题是它们是否足够。生殖细胞的修复机制的确比体细胞高,但是如果修复的效率不是百分之百,损伤还是可能积累。极体细胞也许可以收集受到损伤的细胞产物,但是这种收集也许并不彻底。选择性机制能够淘汰那些有明显损伤的生殖细胞,但是也不一定能够防止被挑选的生殖细胞积累损伤。所以科克伍德的假说也许还不足以完全解释生殖细胞的永生能力。 0 I. g" I% K6 V' J4 R + B8 c2 {, u& P! P0 p8 D 现代克隆动物实验的启示 : V+ _9 A2 t* b& |/ v- k 2 h9 k* f9 F6 @! L& W 近年来人类克隆动物的重大突破,就是让体细胞重新成为有无限繁殖能力的生殖细胞。把体细胞的细胞核放到去核的卵细胞内,就能够形成胚胎,发育成动物。不用体细胞的细胞核,而是把整个体细胞和去核卵细胞融合,也可以形成胚胎。克隆羊“多利”就是这样产生的。体细胞本来是有寿命的,但是卵细胞的细胞质似乎有一种力量,能够把加在体细胞上面的寿命限制解除,体细胞变成了永生的。这说明体细胞的命运是可逆的。成年动物的体细胞肯定已经积累了相当数量的受损物质,可是这些物质似乎并不影响体细胞获得永生的能力。卵细胞的细胞质中似乎有一种“青春因子”,可以使时钟倒转,让体细胞变回生殖细胞,而不管它已经受了多少损伤。 u- p5 W! D( f+ o$ O6 ~3 l# v d6 L' x" `: ]% y+ F9 m 但是这种有关“青春因子”的想法被“诱导干细胞”技术否定了。把几种“转录因子”(控制基因开关的蛋白质)转移到体细胞中去,就可以把体细胞变成类似生殖细胞的“干细胞”(能够分化成其它类型细胞的细胞),而不再依靠卵细胞的细胞质。2009年,中国科学院动物研究所的周琪和上海交通大学医学院的曾凡一合作,从一只雄性黑色小鼠的身上取下一些皮肤细胞,用转录因子诱导的方法,得到了诱导干细胞。他们把诱导干细胞放到“4倍体”的胚胎细胞之间,植入小鼠的子宫内,成功地培培育出了一只活的小鼠,取名“小小”。“小小”还有繁殖能力,已经成功地产生了几代小鼠。在这个过程中没有使用卵细胞的细胞质,而4倍体的胚胎细胞也只发育成胎盘,并不参与胚胎自身的发育。所以这只克隆鼠完全是由当初的一个体细胞产生的,并不需要卵细胞细胞质中假想的“青春因子”。 ' Q4 Q' n/ Z0 T. p/ T% w8 G- j $ }' M( W1 X9 `0 g$ L7 G1 k
当然克隆动物繁殖的代数还有限,还有许多克隆动物生下来就有各种缺陷和疾病,甚至早夭。这些缺陷也许是由于克隆过程本身造成的损伤,或者外遗传状态重新设定得不彻底,但是不能说明这样形成的生殖细胞就不能永生。克隆鼠“小小”能够繁殖数代,每代看上去都很健康,似乎证实了这个想法。如果克隆动物和普通动物一样,能够无限代地繁殖,就能最终证明体细胞和生殖细胞之间的界限是可以打破的,永生的能力也不是生殖细胞所特有的。: Y& ]# G/ I. q; i' v* q4 P
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既然体细胞可以转化成生殖细胞,也不需要什么“青春因子”,生殖细胞永生的机制,有可能就是DNA外遗传修饰的形式。卵细胞的细胞质的作用,转录因子对体细胞的诱导,也许都是重新设定这些外遗传修饰。但是细菌没有组蛋白,自然也不会有组蛋白的乙酰化,生殖细胞却一直能传到现在,说明生殖细胞保持永生的能力几十亿年前就发展出来了。也许我们还在使用这样的机制(如“垃圾桶机制”),也许我们有了新的机制(如外遗传修饰),也许多种机制都在使用,也许不同的生物使用不同的机制。问题核心还是生殖细胞如何完全消除细胞不可避免的受到的损伤。我们在这里谈的细胞损伤,主要是指DNA序列以外分子层面上的,例如蛋白质的变性、脂肪酸的氧化,分子之间的交联等等。这些是体细胞衰老的重要原因,它们最终导致体细胞的死亡。同样的损伤在生殖细胞中也会发生。即使是那些精挑细选出来的生殖细胞,也要经受体细胞所经受的各种袭击,而在亿万年的时间里,所有这些袭击的负面作用都被生殖细胞消除得干干净净,不留下任何痕迹。这真是一个奇迹。3 f* n7 ^9 x$ T7 O. y2 g0 w7 m
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而DNA序列的变化,包括修复以后的碱基变化,则会在后代中通过自然选择的机制加以强化或淘汰。这和细胞里面其它分子的损伤导致的细胞本身老化不是一回事。 ! C* ~) ?* f& K6 B$ u {, x. ], I( s( E1 |干细胞和生殖细胞的关系 + a6 b( b% `& b ( y& r. Y c* B0 O4 ^. P/ w% s 孢子和受精卵都可以变成多细胞生物体内所有类型的细胞,所以是最初的干细胞。它们像树干一样,不断分支(相当于细胞分化),最后形成一颗大树。在胚胎发育的过程中,桑葚期的胚胎(由受精卵分裂形成的实心的细胞团)里面的每一个细胞都有发育成一个完整生物体的能力,所以和受精卵一样,是全能的干细胞。畜牧业者曾经使用桑葚期胚胎分割法,把桑葚胚分为几部分,分别植入子宫,就能从一个胚胎得到多个动物。到了囊胚期,胚胎发育成一个空泡。泡壁上的细胞后来发育成为胎盘,而囊泡内部的一团细胞则发育成为动物。这团细胞中的每一个都能够形成生物体内所有类型的细胞,所以也是全能干细胞,叫做“胚胎干细胞”。但是它们不能形成胎盘,所以不能被单独植入子宫,发育成为动物。5 f4 |! O" U$ {# {
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生物发育成为成体后,按理说不应该有干细胞了,因为所有类型的体细胞都已经有了。但是成体动物体内和各种组织中,还存在干细胞,叫做“成体干细胞”。这是因为许多体细胞的寿命远比生物体总体的寿命短,所以需要不断的补充。例如小肠绒毛细胞就只能活2至3天。我们的血细胞(例如红血球和白血球)的寿命也很短,需要连续不断的补充。干细胞就能够不断分裂,分化成为需要替补的细胞。干细胞在分裂时,也是进行不对称分裂,一个“子”细胞仍然是干细胞,另一个“子”细胞继续繁殖分化成为需要替补的细胞。 * R7 j! `* D8 K' f% u' } 5 X& W" ^( u2 ? {2 F 干细胞的寿命至少和整个生物体的寿命一样长,这样才能保证人一生替补细胞的需要。它们也不像许多体细胞那样,寿命短于生物体的整体寿命。只要生物体活着,干细胞就能一直活着。从这个意义上讲,干细胞也是长寿的。干细胞是从受精卵分裂而来,而且和受精卵一样,是未分化细胞。干细胞在分化时,也进行不对称分裂,以保持自己的“真身”,另一个“子”细胞才是最终要被丢弃的体细胞。所以干细胞在性质上和受精卵非常相似,可以看成是受精卵的延伸,而不是体细胞。和生殖细胞不同的是,干细胞只能在生物体中存在一代,而不能被传到下一代生物体中去。 0 X7 ]6 N% l7 k& g5 C- V . _3 v2 W) ?; `7 q小结* r7 S' i+ }' ]; X; D1 z/ d3 J2 |, r3 p
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生殖细胞和体细胞最大的区别是,生殖细胞是永生的,可以在生物繁殖的过程中无限制地传递下去,而体细胞只是生殖细胞的载具,只能使用一次,然后就被丢弃。干细胞则是生殖细胞的延伸。科学研究的进展已经打破了生殖细胞和体细胞的界限,体细胞也可以变成生殖细胞。但是由于研究方法的限制,目前我们基本上还是用体细胞老化的思路来思考生殖细胞。生殖细胞是如何完全清除环境因素的负面影响,永葆青春的,现在还是一个谜。但是人类的好奇心和对健康长寿的追求,会一步一步地向解开这个谜的方向前进。0 u1 p: n7 Q! H, v0 S7 s( ^
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虽然从生物学的观点来看,体细胞只是生殖细胞的载具,但是生命的精彩却由体细胞表现出来。我们的眼睛能够看见的多彩多姿的生命世界,其实都是体细胞的世界。是体细胞“代替”生殖细胞进行的生存竞争导致了越来越复杂的体细胞组合(生物体),人类的体细胞更是意识、智慧、感情、和高级思维的基础。所以我们不必对自己只是生殖细胞的载具而感到沮丧。只有我们这些由体细胞组成的人体才能有如此丰富多彩的生活,才能对这个世界进行主动的研究,包括反过来研究延续我们生命的生殖细胞。- G4 q' Z9 f4 {7 F2 e$ f$ ]6 M) J5 x7 `% G
, E2 r u9 N5 j- J参考文献 7 ?- o! x5 u. h' T$ L d" |( x 5 N* o4 C7 q, j& I$ P" n3 o1、 Stewart EJ, Madden R, Paul G, Taddei F, Aging and death in an organism that reproduce by morphologically symmetric division. PlOS Biology, 2005, 3(2), e45. 3 o/ t; B* O* N1 I# n2、 Linder AB, Madden R, Demarez A, Steward EJ, Taddei F, Asymmetric segregation of protein aggregates is associated with cellular aging and rejuvenation. Proc Natl Acad Sci USA, 2008, 105(8):3076-3081. $ f; y9 A" Y2 y6 G+ X3、Aguilaniu H[sup]1[/sup], Gustafsson L, Rigoulet M, Nystr?m T. Asymmetric inheritance of oxidatively damaged proteins during cytokinesis. Science. 2003,299(5613):1751-3. $ @* B5 ?0 O; W5 N( A% w+ m- K& b4、Matsui Y. Developmental fates of the mouse germ line. Int J Dev Biol, 1998, 42(7):1037-42. + ?, f6 l* Y4 P7 f k5、Buszczak M[sup]1[/sup], Cooley L. Eggs to die for: cell death during Drosophila oogenesis, Cell Death Differ. 2000, 7(11):1071-4.