我们身体中的数十亿个细胞是如何产生的呢？在动植物体内，有一类未分化的细胞可以产生机体从出生到死亡所需要的每一种细胞。一旦生物体走向成熟，这些未分化细胞便可以产生功能器官或组织所需要的一系列特化细胞。这一类未分化细胞便被称为干细胞。随着科技的发展与组织显微解剖技术的崛起，有证据显示人体内大多数器官与组织都具有自己的干细胞，可以分裂分化形成成熟的功能细胞。从某种程度上来说，我们可以将干细胞想象成一张空白的画布，上面印着许多隐藏起来的细胞图像。蛋白质（生长因子）或其他刺激物（如接触到细胞的脂质或糖）的不同组合可以刺激细胞分裂，并使子细胞的特征发生变化。在本章中，我们将简要介绍干细胞的类型及其来源。
简单地说，干细胞主要包括两种类型，分别为胚胎干细胞与成体干细胞（如图16所示）。在新生个体出生、孵出或萌发前后，其体内便可观察到成体干细胞的存在，其生物学特性与胚胎干细胞有所不同。发育过程中的干细胞原型为合子，它是由卵细胞与**融合而产生的，具有产生体内各种类型组织与细胞的完全“潜能”，这一特征又被称为“全能性”。随着胚胎的生长，体内开始出现“多能”的干细胞，其潜能受到一定程度的限制。这些细胞通过分裂与分化，形成了主要的胚胎干细胞类型，即哺乳动物的胚层，然后进一步发育为器官与组织。从胚胎到成体，我们的细胞生长都依赖于以下几种类型的细胞：（1）“多能”干细胞，这一类细胞在分裂与分化后可以产生相关细胞家族中不同类型的细胞；（2）“寡能”干细胞，如骨髓血细胞等，它们会受到更多的限制，仅能产生少数与之紧密相关的细胞；（3）“专能”干细胞，如肌肉细胞，它们只能产生一种类型的细胞。祖细胞或祖干细胞一词通常用于描述那些仍能快速分裂但尚未完全分化的细胞。成体祖干细胞具有组织修复的功能，它们可以通过产生特定类型细胞来维持可更新器官的正常运行。
图16 胚胎干细胞与成体干细胞的起源
在继续讲述干细胞的故事之前，我们必须先对科学技术的发展进行必要的了解，因为这些事件极大地推动了干细胞领域的发展。首先是不同类型干细胞表面特定蛋白与糖分子的偶然发现。通过利用不同分子的靶向抗体，我们可以准确地标记并区分出不同的干细胞类群。第二项是荧光激活细胞分选（FACS）技术，即根据活细胞表面蛋白的不同，使用荧光标记的抗体对细胞进行机械分选。简单地说，FACS就是将细胞悬液与荧光标记的抗体混匀，随后将其转移至一个狭长的试管中，并用激光束进行照射。此时感光设备可以检测出那些可以产生荧光的阳性细胞，并对其进行分析；或当荧光微**自管中喷出时，通过静电偏转效应对其中的阳性细胞进行收集。另一方面，我们也可以使用附着在小磁珠上的同型抗体，获得足够数量的纯化细胞进行临床研究。此外，我们还可以将一个小的绿色荧光蛋白（GFP）基因连接到某个特定蛋白的基因上，从而对移植后的细胞群进行追踪。来自水母的GFP基因可通过突变产生多种不同颜色的荧光蛋白，它们可以响应不同波长的光从而实现准确分析。每当荧光蛋白基因发生表达时，细胞内便会发出荧光。类似的“生物发光”技术通常被用于观察活体动物中的单个细胞，在此过程中，我们常常会使用到一种灵敏的照相机（最初是为监视卫星而开发的）。
历史回顾
亚里士多德在其著作《动物的产生》（On the Generation of Animals）中首次提出了生物学中的后成说理论，认为从卵细胞发育为动物，或从孢子发育为植物的过程总是遵循着一系列规律。在此期间，生命体将发生变化，并且形成各种器官。只可惜，这些内容被忽略了近2000年的时间。如今我们已进入遗传时代，尽管这一理论在今天看来似乎是理所应当的事情，但由于生命起源理论中的神创论与先成说主宰了世界长达数世纪之久，因此，亚里士多德的理论没有得到足够的信任与重视。1795年，胚胎学家卡斯珀·弗里德里希·沃尔夫（Caspar Friedrich Wolff）用后成说的观点驳斥了先成说理论。经过生物学家广泛而激烈的辩论，最终后成说推翻了先前所建立的先成说观点。随着显微镜的不断改进，关于细胞群的观察也在不断继续。20世纪初，恩斯特·诺伊曼（Ernst Neumann）对骨髓细胞进行了描述，并写下了这样的一段话：
在血液、淋巴器官与骨髓中，所有不同形式的血细胞都是“大淋巴”干细胞的后代。通过有丝分裂或其他细胞转化的方式，这些干细胞一次又一次地实现了自我更新与分化。
这很可能便是“干细胞”一词的首次登场。
胚胎干细胞
胚胎中的干细胞可以产生大量的细胞，并进一步分化形成人类体内所有的200多种细胞。人类早期胚胎中的内细胞团（如图17所示）含有三种类型共50～150个细胞。1981年，马丁·埃文斯（Martin Evans）与马修·考夫曼（Matthew Kaufman）共同发明了小鼠胚胎培养与胚胎细胞系分离的新技术。同年，盖尔·马丁（Gail Martin）首先使用“胚胎干细胞”一词，用以描述所分离的胚胎细胞系。8年后，詹姆斯·汤姆森（James Thomson）从早期人类胚胎的内细胞团中分离出了一组细胞，并首次建立了胚胎多能干细胞系的培养体系。目前，人类胚胎干细胞主要来自体外受精（IVF）过程。
图17 干细胞龛的一个简单模型
龛中的细胞处于休眠状态，直到其被特定刺激唤醒（目前具体机制尚未完全阐明）。完成分裂后，干细胞龛只能容纳一个子细胞，而其余的细胞则成为祖细胞，继续分裂并转化形成大量完全分化的细胞
尽管小鼠与人类胚胎干细胞具有许多相似的生物学特性，但在体外培养体系中，这两种胚胎干细胞通常需要不同的培养环境才能维持未分化的生长状态。例如，小鼠胚胎干细胞通常生长于明胶层之上，仅须添加生长因子LIF[1]即可正常生长；而对人类胚胎干细胞而言，则需要活的小鼠成纤维细胞作为滋养层，同时还需要另一种被称为人成纤维细胞生长因子的蛋白。如果没有达到最佳的生长条件，细胞便会停止分裂并迅速分化。目前，研究者已建立了不同的胚胎干细胞培养体系，并且对那些参与维系干细胞特征的基因也有了更多的了解。多能性的维持需要一个完善的调控网络，以确保分化基因得到抑制，否则细胞将不再分裂而转为分化。大自然很可能已经进化出了一种万无一失的机制来保护生物体，使其免受胚胎干细胞失控所造成的伤害。
生殖系干细胞可产生**或卵细胞（单倍体配子）。单倍体配子的染色体数目仅为体细胞的一半，并可将遗传信息从一代传递至下一代。现在人们已经可以轻松地鉴定、获取与操控果蝇的生殖系干细胞。果蝇的卵细胞在卵巢内的卵巢管中发育成熟。在卵巢管的一端，少量生殖系干细胞以精准的速度缓慢移动着，并进一步分化为卵细胞，整个过程共持续8天的时间。其中，生殖系干细胞被3种已分化的细胞包裹着，包括端丝细胞、帽细胞以及内鞘细胞，它们共同构成一个简单的管状结构（卵原区）。卵巢管尖端的细胞形成了一个龛样的微环境，从而对生殖系干细胞进行维护与调控。在干细胞与帽细胞之间存在一种特殊的细胞间连接，可以将生殖系干细胞固定于前端并防止其移动，以免接触到可能触发分化的环境。有一种特殊的信号蛋白可以参与维持这种细胞间连接，同时控制着生殖系干细胞的分裂速率。
在植物体内，所有干细胞都具有全能性的特点，可以分裂分化产生植物体所必需的所有类型的细胞。“全能性”是奥地利植物学家戈特利布·哈伯兰特（Gottlieb Haberlandt）提出的一个术语，用于描述一个所有园丁都知道的特性。千百年来，园丁们利用珍贵植物的一小部分，如叶子、茎和根等，将其插入土壤和水中，即通过扦插的方法获得了整株植物。20世纪50年代后期，弗雷德·斯图尔特（Fred Steward）首次将单个植物细胞培养成整株植物（一个胡萝卜）。拟南芥是一种被广泛研究的小型开花植物，常用于遗传学研究。其位于芽部的不断生长的尖端是一种完全未经分化的组织，可在植物的整个生命周期中分化形成叶子、花朵与枝丫。在芽尖这一复杂结构中，有30～40个干细胞被数百万个已分化细胞包围着，成为一个复杂的研究模型。大多数遗传学家还会使用根尖这一相对简单的组织来进行研究。通过使用茎尖分生组织（胚组织）的突变体，目前我们已获得了相关的基因表达图谱，从而能对那些难以捉摸的干细胞进行表型鉴定与荧光标记。
成体干细胞
从历史的角度来看，我们对干细胞的了解起始于对机体内成体干细胞产生的大量成熟子细胞的观察。恩斯特·诺伊曼曾在骨髓造血领域提出极具前瞻性的构想，但该设想仍需通过干细胞培养实验来验证。直到60年后，研究人员终于成功解开了这一复杂难题，证明了骨髓中的干细胞具有自我更新、分裂以及产生血液中各种成熟细胞的能力。
1961年，欧内斯特·麦卡洛克（Ernest McCulloch）与詹姆士·提尔（James Till）设计了一系列实验以探究干细胞的功能。他们以较大剂量的X射线照射小鼠以阻止其产生干细胞，随后将外源性骨髓细胞注射到这些小鼠的尾静脉中。一段时间后，可观察到小鼠脾脏中出现了肉眼可辨的结节，且脾脏中的结节数量与所注射的骨髓细胞量成比例关系。麦卡洛克与提尔推测每个结节可能源自一个骨髓细胞，并且很可能是一个干细胞。这种基于动物骨髓干细胞的测量方法在接下来的30年中成为测量干细胞数量的主要方法。20世纪70年代初，迈克·德克斯特（Mike Dexter）提出，如果以间质细胞作为饲养层（骨髓中非血细胞的集群），那么即便在实验室培养瓶中，原始骨髓细胞也可以进行长达数周的培养。
在接下来的数十年中，组织特异性成体干细胞被陆续鉴定出来。这些干细胞均可以分裂分化形成对应组织中的所有细胞类型。有研究指出，大鼠体内可观察到新生神经元的生长，这表明成年后的大脑中可能存在干细胞。这个有趣的发现与脑细胞终生存活的既往观点完全相反。此后，在成年小鼠、鸣禽以及人类等灵长类动物的大脑中也发现了干细胞的存在。新生神经元细胞（称为神经发生）仅存在于大脑中的两个位置。在实验室条件下，神经干细胞能以漂浮细胞集群（神经球）的形式生长，其中包含大量干细胞。通过改变培养条件，它们可以进一步分化形成神经元（负责处理和传递信息的可兴奋细胞）或神经胶质细胞（为大脑神经元提供营养与保护的细胞）。
其他具有干细胞群的器官需要持续性地，或在特定的发育阶段为机体提供成熟细胞。例如，乳腺干细胞（是青春期发育过程中乳腺细胞的来源）可以从人与小鼠的组织中成功分离，并在培养过程中进一步分化形成腔上皮细胞（位于可产乳细胞的内层）与肌上皮细胞（位于外层），而小鼠乳腺干细胞还具有再生为整个器官的能力。从人类鼻腔内壁的黏膜细胞中可以分离获得嗅觉成体干细胞。如同胚胎干细胞一般，嗅觉成体干细胞也可以分化形成多种类型的细胞，并且由于其易于收获（尤其对老年人而言），因此被认为是潜在的治疗手段。毛囊内含有不同类型的干细胞，它们可以产生神经元（神经细胞）、施万细胞（形成髓鞘的细胞）、肌成纤维细胞（介于成纤维细胞与平滑肌细胞之间的细胞，在伤口愈合过程中发挥着重要作用）、软骨细胞（形成并维持软骨的细胞）以及黑色素细胞（产生黑色素的细胞，你被太阳晒后变黑就是因为它）。在人体中，基底细胞遍布整个呼吸道表面，约占肺上皮细胞的30％。它们处于相对未分化的状态，可能在这些组织中扮演着类似干细胞的角色。对基底细胞生物学特性的进一步了解或可推动其在肺再生治疗中的应用。血管内壁形成内皮细胞的过程主要发生在胚胎发育过程中。最初，人们认为这些细胞来源于早期发育过程中的内皮祖细胞。然而在20世纪90年代，人们在成年小鼠血液中鉴定出潜在的成体内皮祖细胞。新近研究表明，成体内皮祖细胞在血管的生成过程，尤其是在不断生长的肿瘤需要生成新的血管时，发挥着重要的作用。如造血干细胞一般，内皮祖细胞在归巢至肿瘤部位之前，可被生长因子募集至血液中。骨髓中这些细胞的破坏可降低肿瘤的生长速度，这是因为没有血液供应时，任何肿瘤都无法继续生长，其直径甚至无法超过2毫米。
干细胞特性
无论在何种组织中，成体干细胞的数量通常都维持在一个相对较低的恒定水平。鉴于成体干细胞具有活跃的分裂能力，这些细胞失控将会对动植物造成致命的伤害。另一方面，每一个干细胞都需要进行自我更新，并产生具有快速分裂与分化能力的子细胞——祖细胞，从而进一步产生大量细胞，以组成功能器官或组织。为了对骨髓中的类似现象进行解释，雷·斯科菲尔德（Ray Schofield）提出了一个假设，即干细胞聚集在一个特化的部位或龛中。干细胞龛由一组细胞所构成，可以为干细胞提供适宜的微环境（如图17所示），起到类似于“大本营”的作用。干细胞龛可以将干细胞很好地保护起来，成为机体组织持续性再生的储存库，并通过调控干细胞自我更新与分化之间的平衡，在其命运控制与数量维系等方面起到至关重要的作用。在大多数情况下，位于干细胞龛中的成体干细胞处于休眠状态，只有从微环境中接收到刺激信号时才会进行分裂。但目前关于这一信号的具体分子基础仍不清楚。当干细胞分裂后，子细胞中的其中一个将作为干细胞继续留在干细胞龛中，而另一个子细胞将离开干细胞龛并快速分裂分化形成成熟细胞。如果微环境受到进一步刺激，例如施加生长促进蛋白，则可以大大加快该过程的速度。干细胞龛模型已经在部分系统（例如果蝇卵巢、植物子房以及哺乳动物的肠道隐窝）的干细胞相关研究中得到了证实，但其是否适用于所有干细胞仍不清楚。
成体干细胞具有可塑性或转分化的特性。简单来说，这一特性是指某一类型的干细胞可以在不同的条件下转化为另一种细胞类型。例如，小鼠及人类的胚胎干细胞、骨髓干细胞、成体肝祖细胞以及其他干细胞均可以产生成熟的肝细胞。在实验室中将生长因子蛋白注入干细胞中可以实现这一转化过程。此外，将干细胞移植至肝脏中也可诱导其增殖，在某些情况下甚至还可以改善肝功能。
在胚胎中，一共存在三种原胚层细胞，包括外胚层（可产生神经系统、牙釉质、头发和皮肤的角质细胞）、内胚层（可发育形成肠道、呼吸系统和**）以及中胚层（可发育成骨骼、肌肉、结缔组织、皮肤中间层、肝脏和骨髓）。令人惊讶的是，三种胚层中的细胞还可以产生理应来自不同谱系的成熟细胞。
目前干细胞转分化的机制仍不清楚。干细胞的分化命运一方面取决于分裂时的遗传特征，另一方面也取决于其所接收到的外部信号特点。如果接收的外部信号与其内在特征不相符，干细胞将改变其遗传特征并转化为其他类型的细胞。由于细胞体积相对较小并且结构不够分明，因此很难通过直观的方式直接鉴别出真正的成体干细胞。目前认为组织内存在两个或多个干细胞群体，这或许可以用来解释干细胞的可塑性特点。例如，成体干细胞可以产生成熟细胞，而少数生殖干细胞仍可以产生所有类型的细胞。此外，还存在另一个模型以解释骨髓、毛囊与肠道中的干细胞是如何在自我更新与分化之间保持平衡的。该模型提出干细胞可以以两种不同的状态存在于机体内，其中一种为休眠态，保留着完整的发育潜力；而另一种为活跃态，可以产生大量的分化细胞。休眠干细胞与活跃干细胞之间的平衡由多种发育信号蛋白所控制。这些蛋白最初在果蝇中被鉴定出来，但目前发现它们在所有动物细胞中均发挥着至关重要的作用。
在正常的代谢活动（尤其是在DNA复制过程）中，如果遭受致癌化学物质、紫外线与辐射等环境因素的影响，细胞将会发生DNA损伤。据计算，每个细胞每天有多达100万个分子可能遭受损伤。细胞内存在着一系列方法来识别并修复这些受损的DNA。大多数DNA的改变不会对细胞造成损害，有一些甚至可能是我们个体差异的来源。但有些改变，例如DNA链的化学交联或断裂等，将会导致DNA分子结构的严重破坏，并对细胞存活产生影响。细胞内p53蛋白（在第3章中有所提及）可以识别到失败的DNA修复过程，进而促使细胞进入永久休眠状态（称为衰老），或引起细胞凋亡。在缺乏p53反应的情况下，受损细胞可能会出现失控的细胞分裂行为，从而导致癌症的发生。
所有动物细胞都有内在的衰老时钟。在每个染色体的末端，有一种被称为端粒的保护结构，该结构由TTAGGG的DNA重复序列组成。端粒可防止染色体末端融合，抑制环状染色体的形成。细胞在每次进行分裂时，此序列的一或两个拷贝将无法完成复制。因此，在经过多次分裂后，端粒的保护作用将开始消失。此时染色体末端将出现“磨损”，细胞也无法再次分裂。胚胎干细胞通过产生端粒酶来对端粒的损伤进行修复，从而保证胚胎干细胞在早期发育阶段可以进行多次分裂而不受分裂次数的限制。在成年组织中，需要持续分裂的细胞（例如免疫细胞与器官特异性干细胞）也存在表达水平较高的端粒酶，而在大多数其他类型细胞中，端粒酶的表达水平往往较低。此外，在迅速分裂的肿瘤细胞中，通常也可以检测到高表达的端粒酶。
位于植物生长尖端的干细胞在其整个生命周期中都处于活跃状态。对于某些树木而言，其生命周期可能长达数世纪。在此期间，这些树木将持续地暴露于可引起DNA损伤与突变的环境中。所有植物都具有对DNA损伤（无论来自辐射还是有毒化学物质）高度敏感的响应机制，并可及时发出诱导早期细胞死亡的信号。在小鼠骨髓干细胞中，研究者也观察到了类似的现象。在这些关键细胞群中所进化出的严格保持基因组完整性的方式，与正常的程序性细胞死亡完全不同。另一方面，许多哺乳动物组织中成体干细胞的数量会随着时间推移而减少，这可能是低水平DNA损伤引起的。这将促使干细胞进入休眠状态，从而影响高龄动物的细胞分裂能力。干细胞龛的数量也可能会随着年龄增加而减少。而我们之所以会变老，一部分原因是年轻时我们的干细胞参与抑制了癌细胞的生长，从而导致干细胞的衰老。
肿瘤干细胞
在过去的十年间，肿瘤干细胞的概念慢慢被人们所认可。白血病干细胞是第一个被发现的肿瘤干细胞，但越来越多的证据显示在脑癌、结肠癌、卵巢癌、胰腺癌与前列腺癌中可能也存在着干细胞。这些干细胞的起源目前存在争议。肿瘤干细胞的概念基于以下观点，即与功能正常的干细胞一样，位于远端的一群恶性细胞具有无限自我更新与诱发肿瘤的能力。此外，与正常干细胞一样，肿瘤干细胞只能缓慢地分裂（自我更新较为缓慢），这使得它们对那些通常情况下用来杀死快速分裂细胞的抗癌药物具有更强的抵抗力，但其分化后的子细胞仍对药物敏感。关于白血病干细胞来源的一种解释是，新分化的细胞中出现了导致癌症发生的遗传损伤，随后在干细胞龛的诱导下，这些细胞发生了去分化改变，最终导致数量有限却能永生的白血病干细胞的产生。在实体瘤中很难准确地判断出肿瘤干细胞的确切来源，这是由于肿瘤中的突变细胞群具有异质性特点。这些细胞中可能同时存在几种不同类型的干细胞，其中一种十分适应该特定环境，而其他类型则不然。但有趣的是，这些无法适应当前环境的细胞却可以在其他环境中变得活跃，从而使肿瘤能够适应环境的变化。目前正在进行的干细胞研究可能会为癌症治疗提供新的思路。
[1] 白血病抑制因子（Leukemia Inhibitory Factor）。