來源：干就有未來

干細(xì)胞是一類具有自我更新和多向分化能力的細(xì)胞，在適宜條件下能夠分化成特定譜系細(xì)胞群，進(jìn)而形成不同的組織和器官。因此，干細(xì)胞療法在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。干細(xì)胞按照來源主要分為胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cell，ESC）和成體干細(xì)胞（adult stem cell，ASC）。ESC能夠分化成人體幾乎所有組織和細(xì)胞。而ASC是組織特異性干細(xì)胞，只能分化為所在組織的多種細(xì)胞類型。誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cell，iPSC）是從成體細(xì)胞重新編程為類似ESC的細(xì)胞。干細(xì)胞能促進(jìn)發(fā)育并維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)，而異常的自我更新和分化則可導(dǎo)致人體疾病發(fā)生，例如惡性腫瘤。干細(xì)胞的分化過程是由多種信號(hào)傳導(dǎo)通路精細(xì)調(diào)控的動(dòng)態(tài)事件，包括干細(xì)胞的內(nèi)源性信號(hào)調(diào)控通路，干細(xì)胞與微環(huán)境之間的相互作用，以及表觀遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等。這些通路在維持干細(xì)胞多能性、自我更新及響應(yīng)環(huán)境變化等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，共同決定了干細(xì)胞的命運(yùn)抉擇。

一、影響干細(xì)胞分化的內(nèi)源性信號(hào)通路
干細(xì)胞分化是一個(gè)復(fù)雜的過程， Wnt、Notch、TGF-β和JAK/STAT等信號(hào)通路共同參與調(diào)控，這些通路相互影響，高度協(xié)作，精確調(diào)節(jié)干細(xì)胞的命運(yùn)。

1. Wnt信號(hào)通路
Wnt蛋白與細(xì)胞表面的Frizzled家族受體和低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白（LRP）5或6結(jié)合，激活下游多蛋白復(fù)合體的解聚，進(jìn)而抑制GSK-3β對(duì)β-catenin的磷酸化，促使β-catenin在胞漿內(nèi)積聚并入核與TCF/LEF家族轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，最終激活下游靶基因表達(dá)，從而影響細(xì)胞增殖、分化和凋亡。這一信號(hào)通路對(duì)維持干細(xì)胞功能也十分重要。在MSC中， 低水平的Wnt信號(hào)能夠維持其自我更新和多能性，而高水平Wnt信號(hào)則促進(jìn)成骨分化。Wnt信號(hào)對(duì)ESC向中內(nèi)胚層分化起關(guān)鍵作用。Wnt信號(hào)的激活還可以促進(jìn)小鼠肺泡Ⅱ型（AT2）干細(xì)胞的增殖，這對(duì)肺上皮損傷修復(fù)具有潛在的治療意義。此外，Wnt/β-catenin信號(hào)通路的異常激活與腫瘤發(fā)生密切相關(guān)，如在三陰性乳腺癌中，Wnt信號(hào)與腫瘤干細(xì)胞（cancer stem cell，CSC）的激活和多藥耐藥性密切相關(guān)。

2. Notch信號(hào)通路
Notch信號(hào)通路是在進(jìn)化上高度保守的細(xì)胞間通信機(jī)制。相鄰細(xì)胞表面的Notch配體與受體結(jié)合后觸發(fā)Notch信號(hào)的活化，引發(fā)蛋白水解反應(yīng)，生成有活性的Notch細(xì)胞內(nèi)域（Notch-ICD），并進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，結(jié)合效應(yīng)蛋白和轉(zhuǎn)錄激活蛋白，從而調(diào)控靶基因表達(dá)。Notch信號(hào)通路對(duì)于維持干細(xì)胞的自我更新及多能性狀態(tài)具有重要意義。例如，在造血干細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞中，Notch信號(hào)是維持干細(xì)胞特性的關(guān)鍵因素。在癌癥發(fā)生中，Notch信號(hào)通路的失調(diào)會(huì)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖、轉(zhuǎn)移和血管生成，并對(duì)CSC的自我更新和藥物抗性也起著決定性作用。

3. TGF-β信號(hào)通路
轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β（TGF-β）超家族主要通過其成員骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMPs）和TGF-β等調(diào)控胚胎發(fā)育、組織發(fā)展及干細(xì)胞命運(yùn)。當(dāng)TGF-β配體結(jié)合到其Ⅱ型受體上，并促使其磷酸化Ⅰ型受體，進(jìn)而激活下游的轉(zhuǎn)錄因子Smad蛋白形成轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物入核，與其他輔助因子相互作用，激活或抑制靶基因轉(zhuǎn)錄。TGF-β信號(hào)通路在干細(xì)胞中的作用較為復(fù)雜。TGF-β/activin信號(hào)通路在人胚胎干細(xì)胞（hESC）的多能性維持中扮演著重要角色，但是對(duì)小鼠胚胎干細(xì)胞（mESC）的多能性卻沒有影響。此外，筆者所在課題組曾報(bào)道p53家族因子可以協(xié)同調(diào)控TGF-β和Wnt信號(hào)通路共同促進(jìn)mESC向中內(nèi)胚層分化。并且，筆者所在課題組最近又發(fā)現(xiàn)TGF-β信號(hào)通路可以在不依賴Smad4的情況下，通過活化的Smad2/3促進(jìn)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3b（Dnmt3b）的表達(dá)，并與其互作，共同促進(jìn)多能性mESC向始發(fā)態(tài)上胚層進(jìn)行轉(zhuǎn)變。在ASC中，TGF-β家族信號(hào)通過自分泌或微環(huán)境中的蛋白因子維持干細(xì)胞特性。例如， 靜止期的毛囊干細(xì)胞通過TGF-β信號(hào)被激活以進(jìn)行再生。此外，TGF-β誘導(dǎo)的上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化在乳腺癌和正常乳腺干細(xì)胞的干性獲得中起著關(guān)鍵作用。

4. JAK/STAT信號(hào)通路
JAK/STAT通路由多種細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子激活，通過JAK蛋白的磷酸化激活STAT蛋白，進(jìn)而促進(jìn)STAT蛋白二聚體的形成和核內(nèi)轉(zhuǎn)移，調(diào)控特定基因表達(dá)。在果蠅中，JAK/STAT信號(hào)通過Upd1、Upd2和Upd3等配體激活，影響干細(xì)胞的增殖和維持。在哺乳動(dòng)物中，該通路的激活對(duì)干細(xì)胞的自我更新和多能性至關(guān)重要。JAK/STAT通路在調(diào)控干細(xì)胞行為中的作用不僅限于單一通路，而是與其他信號(hào)通路如Notch、Hippo、Insulin和TOR等存在互作，共同調(diào)節(jié)干細(xì)胞分化和組織再生等行為。此外，JAK/STAT通路的異常激活與多種疾病有關(guān)，包括免疫介導(dǎo)的疾病和癌癥。在CSC中，JAK/STAT通路的激活促進(jìn)ZEB1/2表達(dá)，后者通過抑制miRNAs表達(dá)，上調(diào)干細(xì)胞因子表達(dá)，促進(jìn)了CSC的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移。

二、細(xì)胞外環(huán)境對(duì)干細(xì)胞分化的影響
體內(nèi)干細(xì)胞周圍的特定動(dòng)態(tài)微環(huán)境稱為干細(xì)胞微環(huán)境，它對(duì)于維持干細(xì)胞的自我更新和多向分化潛能起著重要作用。干細(xì)胞和微環(huán)境可以在發(fā)育過程中相互誘導(dǎo)，并在成年后相互發(fā)出信號(hào)以維持彼此。在胚胎發(fā)育過程中，微環(huán)境作用于ESC，改變其基因表達(dá)，誘導(dǎo)其增殖或分化，從而促進(jìn)胎兒的發(fā)育。在人體內(nèi)，干細(xì)胞微環(huán)境能使ASC保持靜止?fàn)顟B(tài)，但在組織損傷后，微環(huán)境會(huì)主動(dòng)向ASC發(fā)出信號(hào)，促進(jìn)自我更新或分化形成新組織。

在微環(huán)境中，多種因素直接參與了干細(xì)胞的功能調(diào)控，包括干細(xì)胞間的相互作用、干細(xì)胞與鄰近分化細(xì)胞或黏附細(xì)胞間的相互作用、細(xì)胞外基質(zhì)成分（extracellular matrix，ECM）、生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子、氧張力、剪切力和環(huán)境的理化性質(zhì)（包括pH值、離子強(qiáng)度和代謝物）等（圖1）。例如，ECM通過調(diào)節(jié)其組成成分的產(chǎn)生、降解和重塑，對(duì)特定器官發(fā)育和功能修復(fù)發(fā)揮作用。微環(huán)境內(nèi)的信號(hào)傳遞對(duì)維持干細(xì)胞功能和自我更新至關(guān)重要。分泌因子不僅可以在局部1～2個(gè)細(xì)胞間發(fā)揮作用，也可以在整個(gè)微環(huán)境中擴(kuò)散以指導(dǎo)干細(xì)胞命運(yùn)。此外，細(xì)胞黏附分子可以將干細(xì)胞保留在微環(huán)境中，而且干細(xì)胞與微環(huán)境的細(xì)胞或ECM成分直接相互作用產(chǎn)生的機(jī)械力，也可以對(duì)干細(xì)胞的功能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

圖1 干細(xì)胞微環(huán)境的關(guān)鍵組成部分

三、干細(xì)胞分化的表觀遺傳調(diào)控
表觀遺傳調(diào)控包括DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA和染色質(zhì)重塑等調(diào)控機(jī)制能夠從多維度影響干細(xì)胞的命運(yùn)和功能（圖2）。

圖2 表觀遺傳調(diào)控

1. DNA甲基化
DNA甲基化主要發(fā)生在CpG位點(diǎn)上，通過在DNA分子胞嘧啶的5'位置添加甲基基團(tuán)來調(diào)控基因表達(dá)。這一修飾將直接抑制轉(zhuǎn)錄因子與甲基化DNA結(jié)合，或者需要招募改變甲基化區(qū)域染色質(zhì)構(gòu)象的染色質(zhì)修飾酶來調(diào)控基因表達(dá)。此外，DNA甲基化參與異染色質(zhì)的形成和維持，這對(duì)于沉默重復(fù)元素和維持干細(xì)胞中的基因組穩(wěn)定性至關(guān)重要。這種修飾在調(diào)控基因表達(dá)、細(xì)胞命運(yùn)決定、X染色體失活、基因印記及轉(zhuǎn)座子沉默等方面發(fā)揮著重要作用。DNA甲基化模式是動(dòng)態(tài)調(diào)控的，可以通過TET家族酶的活性被逆轉(zhuǎn)，這些酶將5-mC氧化為5-hmC，啟動(dòng)主動(dòng)去甲基化過程。ESC具有獨(dú)特的甲基化景觀，它在早期胚胎發(fā)育期間發(fā)生全局性去甲基化，隨后與細(xì)胞分化同步建立新的甲基化標(biāo)記，從而沉默多能性因子并促進(jìn)分化因子的表達(dá)。在mESC向上胚層樣細(xì)胞（EpiLC）轉(zhuǎn)變的過程中，Dnmt3b的表達(dá)顯著上調(diào)。一方面，Dnmt3b通過抑制多能性因子例如Sox2的表達(dá)來促進(jìn)mESC多能性的逐步退出；另一方面，Dnmt3b結(jié)合上胚層基因包括Fgf5的順式作用元件周圍，促進(jìn)Smad2/3與低甲基化中心結(jié)合，激活上胚層特異性基因的表達(dá)。此外，DNA去甲基化是體細(xì)胞重編程為iPSC的關(guān)鍵事件，使用DNA去甲基化劑，如5-氮雜胞嘧啶，可以提高重編程效率，為理解細(xì)胞命運(yùn)的可逆性開辟了新途徑。

2. 組蛋白修飾
組蛋白修飾指在組蛋白的氨基酸殘基上進(jìn)行的諸如甲基化、乙�；�、泛素化及巴豆�；�等一系列修飾，不同修飾組合對(duì)于靶基因的表達(dá)及功能的影響各不相同，進(jìn)而影響干細(xì)胞的命運(yùn)。在ESC和iPSC的譜系基因的啟動(dòng)子區(qū)域，組蛋白H3第4位（H3K4）和第27位（H3K27）的賴氨酸能在組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶的催化下發(fā)生三甲基化修飾。它們所形成的二價(jià)標(biāo)記能維持基因在轉(zhuǎn)錄激活和抑制之間的平衡，保持蓄勢(shì)待發(fā)的狀態(tài)（poised）。在神經(jīng)干細(xì)胞和iPSC中，去除H3K27me3能促進(jìn)神經(jīng)分化，而去除H3K9me3則能維持神經(jīng)干細(xì)胞的自我更新和增殖。在精原干細(xì)胞中，H3K4的去甲基化修飾影響其分化過程。在人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中，H3K9的乙酰化和二甲基化修飾與基因啟動(dòng)子區(qū)域的活性密切相關(guān)，參與維持MSC的自我更新和多能性。多梳復(fù)合物介導(dǎo)的H2A泛素化（H2Aub）在神經(jīng)發(fā)生潛能受阻時(shí)顯著增加。這表明組蛋白修飾在調(diào)控神經(jīng)前體細(xì)胞命運(yùn)中也發(fā)揮了重要作用。此外，在CSC中，使用DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑或組蛋白去乙酰化酶抑制劑，可以抑制CSC活性。

3. 非編碼RNA
非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）是一組在細(xì)胞內(nèi)執(zhí)行調(diào)控功能但不參與蛋白質(zhì)編碼的RNA分子，根據(jù)長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)特征主要分為微小RNA（miRNA）、長(zhǎng)鏈非編碼RNA（lncRNA）和環(huán)狀RNA（circRNA）三類。不同類型的ncRNA通過參與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)等過程，在多種干細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮調(diào)控作用。miR-302家族通過靶向細(xì)胞周期抑制因子，促進(jìn)細(xì)胞周期進(jìn)展，維持ESC及iPSC多能性。let-7家族miRNA在多種腫瘤細(xì)胞中下調(diào)，與CSC的成瘤能力密切相關(guān)。而lncRNA，如ROSE1和lincRNA-ROR，在iPSC的生成與維持中扮演關(guān)鍵角色。lncRNA還可以調(diào)控ASC的分化和組織再生能力。例如，lncRNA通過影響特定miRNA的表達(dá)來調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞的分化和功能。此外，心臟干細(xì)胞中特定的circRNA可以通過海綿化miRNA，參與心臟修復(fù)和再生過程。

4. 染色質(zhì)重塑
染色質(zhì)重塑是一種細(xì)胞內(nèi)部的動(dòng)態(tài)調(diào)控過程，涉及特定蛋白質(zhì)復(fù)合物對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)基因表達(dá)的宏觀調(diào)控。該過程主要包括核小體的重新定位、組蛋白尾部共價(jià)修飾及DNA重塑，這些活動(dòng)共同作用于改變?nèi)旧�質(zhì)的緊密程度，從而影響轉(zhuǎn)錄因子及其他染色質(zhì)結(jié)合蛋白對(duì)DNA的訪問。此外，染色質(zhì)重塑還參與細(xì)胞對(duì)環(huán)境信號(hào)的響應(yīng)，通過改變?nèi)旧�質(zhì)結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞能夠快速調(diào)整其基因表達(dá)模式，適應(yīng)不同的分化需求。染色質(zhì)重塑對(duì)干細(xì)胞的多能性、自我更新及分化過程具有深遠(yuǎn)影響。例如，染色質(zhì)解螺旋酶DNA結(jié)合蛋白（CHD4）是核小體重塑和脫乙酰酶（NuRD）復(fù)合體的亞基，能維持ESC的多能性并抑制分化轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)。在肝細(xì)胞癌中，CSC的成瘤能力和化療抗性也與CHD4的表達(dá)水平相關(guān)。在造血干細(xì)胞中，染色體異常如Trisomy 8通過改變?nèi)旧�質(zhì)結(jié)構(gòu)和RUNX1轉(zhuǎn)錄因子的功能，影響干細(xì)胞的自我更新和分化能力。染色質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)也在干細(xì)胞分化中起著關(guān)鍵作用，例如拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域和增強(qiáng)子與啟動(dòng)子之間的環(huán)狀連接都可以調(diào)控基因的表達(dá)。這些研究揭示了染色質(zhì)重塑在干細(xì)胞命運(yùn)決定中的多樣化作用機(jī)制，為理解干細(xì)胞功能、開發(fā)新的治療策略提供了新視角。

四、結(jié)語
干細(xì)胞分化是一個(gè)復(fù)雜且多層面的過程，受到細(xì)胞外環(huán)境、信號(hào)通路、表觀遺傳修飾等多種因素的影響。盡管面臨挑戰(zhàn)，隨著科學(xué)家對(duì)干細(xì)胞分化調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的深入理解，其在臨床治療中的應(yīng)用前景廣闊，未來有望開發(fā)出更有效的治療方法，維護(hù)人類健康。例如，對(duì)干細(xì)胞及其生態(tài)位的深入理解能促使科研人員開發(fā)出各種生態(tài)位工程技術(shù)，建立人工生態(tài)位來調(diào)控干細(xì)胞命運(yùn)。通過結(jié)合信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、表觀遺傳調(diào)控及新興的多組學(xué)技術(shù)，可以從多維度理解干細(xì)胞的發(fā)育軌跡和命運(yùn)調(diào)控機(jī)制，以及它們?cè)诓煌�生理和病理狀態(tài)下的功能，從而充分發(fā)揮干細(xì)胞治療的潛力。此外如何預(yù)防干細(xì)胞衰老也是一個(gè)極具前景的方向，這對(duì)于維持組織穩(wěn)態(tài)和研究器官再生至關(guān)重要。