原來幹細胞能記住組織過去所受的損傷

幹細胞似乎能記住舊傷，以促進傷口癒合。當這個系統出現問題時，就會引發慢性炎症。幹細胞以終生補充身體其他細胞而聞名，並且可能具有額外、不可預見的能力，可以儲存對過去創傷和炎症的記憶。皮膚、腸道和呼吸道的新研究表明，幹細胞通常與免疫系統合作利用這些記憶來改善組織對後來的損傷和致病性攻擊的反應。紐約大學免疫學家蘇魯蒂·奈克（Shruti Naik）研究了皮膚和其他組織的記憶效應並說：幹細胞有敏銳的感知環境和反應能力，開始意識到，這些細胞不僅僅用於製造組織但當這些反應出現問題時，可能會引發一系列與慢性炎症有關的長期健康問題，比如嚴重過敏和自身炎症性疾病。

博科園-科學科普：人體大多組織都含有一些長期存活的幹細胞，這些幹細胞可以根據需要分裂和分化成各種類型的細胞。例如皮膚中的幹細胞可以分裂併產生色素或角蛋白的細胞譜系，形成汗腺細胞，甚至是當身體移動時允許皮膚伸展的柔性屏障細胞。作為其他細胞類型的微型工廠，幹細胞需要保持多才多藝的狀態，換句話說，它們必須是「白板」，不受其歷史的影響。但現在一幅新的畫面開始浮現。波士頓地區的研究人員在《自然》發表了一篇論文，為幹細胞記憶提供了新的證據。

幫助組織從損傷中恢復的幹細胞傳統上被認為是發育中的「白板」。最近的研究表明，它們可能會以某種方式儲存過去遭受攻擊的記憶，以便在未來促進更有效的治療。圖片版權：Eric Petersen for Quanta Magazine

單細胞測序先驅亞歷克斯·沙萊克（ Alex Shalek）和麻省理工學院的免疫學約瑟夫奧多瓦斯蒙泰斯（JoséOrdovas-Montaes）以及布里格姆（Brigham）和婦女醫院免疫學家諾拉·巴雷特（Nora Barrett）領導的研究小組已經著手研究為什麼有些人會對空氣塵埃、花粉和其他物質產生過敏反應。大多數人最多會經歷一場由這些刺激物引起的類似感冒的癥狀，但是大約12%的人有嚴重反應，這種反應持續一年，導致不舒服的息肉出現或生長。這項工作是研究小組在更大範圍內探索慢性炎症疾病(如哮喘和腸道炎症)的第一步。

類似的自身炎症性疾病一直被歸咎於免疫系統，被認為是免疫系統對感知到的威脅反應過度。但是波士頓的研究小組懷疑組織本身可能也存在問題。研究人員首先從慢性鼻竇炎患者發炎的鼻腔中提取細胞，並與健康對照組的細胞進行比較。在從20個不同的人那裡收集了6萬個細胞後，他們對從單個細胞中提取的RNA分子進行了測序，以確定其中哪些基因是活躍的。在鼻竇炎患者的幹細胞中，他們發現許多活躍的基因與過敏性炎症有關，特別是這些基因是兩種免疫介質的靶點，分別是白細胞介素4 (IL-4)和白細胞介素13 (IL-13)。它們是免疫細胞，如T淋巴細胞和B淋巴細胞，通常用來相互交流的小分子。

麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)的亞歷克斯?沙萊克(Alex Shalek)是利用單細胞測序研究基因激活模式的先驅，他幫助領導了一項新工作，發現了人類幹細胞中「記憶」的證據。圖片：Justin Knight

事實上靶向基因在幹細胞中是活躍的，這意味著幹細胞顯然與免疫系統直接溝通。由於預感到這種交流可能會對慢性病的性質產生影響，研究人員進行了進一步的實驗。研究人員從過敏患者的呼吸道中取出細胞，在培養液中培養約5周，然後對其基因活性進行分析。發現與過敏性炎症有關的基因仍然活躍，儘管灰塵和花粉的過敏性威脅早已消失。此外研究人員稱許多細胞「卡在」不完全成熟的狀態。研究結果表明幹細胞可能會把記憶傳遞給下一代的細胞，這可能會在它們所補充的組織中造成近乎永久的改變。這一過程會讓人將其與免疫系統進行比較：B細胞和T細胞利用它們之前排斥的感染經驗，更有效地抵禦新的感染。

同樣幹細胞可能會保留過去攻擊的記錄，以便在下次攻擊時加強反應。但對於過敏患者來說，記憶顯然會變得不適應。它可以讓幹細胞永久地向免疫系統發出攻擊者存在的信號，創造一個促進炎症和息肉的反饋循環。了解哪些細胞是「不良分子」，以及它們的反應如何在組織中傳播，應該會引發更有效的干預。在論文中研究人員能夠測試阻止IL-4和IL-13的抗體對鼻息肉患者幹細胞和分泌細胞的影響。發現與健康組織相關的基因表達得到了實質性的恢復，並且算是朝著未來治療方法的發展邁出了有希望的一步。

冷泉港實驗室的免疫學家森馬·碧雅（Semir Beyaz）說：這開創了一個新模式，不僅能夠關注細胞的自我更新潛能，還能關注它們與周圍環境的潛在相互作用。與少脂飲食小鼠相比，高脂飲食小鼠的腸道產生更多的莖狀細胞。在分裂時，腸道幹細胞似乎也更頻繁地增加自己的數量，而不是產生更多分化細胞，這種變化與癌症等疾病有關。從功能上講，細胞可以調節，免疫學家開始明白免疫反應發生在組織中，而組織對此的反應是在幹細胞水平上。幾年前，奈克與幹細胞生物學家合作，觀察了早期損傷和炎症對小鼠傷口癒合的影響，希望了解炎症經歷是否會影響幹細胞。

紐約大學的免疫學家蘇魯蒂·奈克（Shruti Naik）研究了有關皮膚及其他組織幹細胞記憶損傷和炎症的關係。圖片：Courtesy of NYU Langone Health

正如他們2017年發表在《自然》論文中所描述的那樣：如果小鼠身上的皮膚斑塊發炎並癒合，那麼那個部位的傷口癒合速度將是原來的2.5倍，這種效果可能長達6個月。在實驗中保留在幹細胞中的記憶大有益處，因為它調節細胞使其在傷口癒合和再生方面更強大。但事物都有雙面性，正如沙萊克、巴雷特和奧多瓦斯蒙泰斯所觀察到的，如果你教細胞壞行為，它們也會記住那些壞行為。幹細胞如何儲存記憶還不得而知。在過敏和傷口癒合的研究中，這種機制似乎涉及到DNA的一些修改，使某些基因或多或少可以被激活。

奈克發現，兩次受傷的小鼠皮膚幹細胞中的DNA包含許多不那麼緊密的區域，這通常表明了基因活性，其中一些開放區域在炎癥結束後很長一段時間內都被保留了下來。正如奈克和同事最近在《細胞》一文的評論中討論的那樣，幹細胞在廣泛的組織中從事化學與免疫系統「對話」，與雙方和潛在的其他細胞類型彙集信息，以最有效的方式應對不斷變化的環境。無論這些對話的細節是什麼，所有的證據都表明，幹細胞通過保存一些歷史記錄，在幫助組織適應環境方面發揮著核心作用。一個組織應該從它的經驗中學習；這樣的話，就不必重蹈覆轍。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《自然》（Nature）,《細胞》（Cell）

文：Monique Brouillette/Quanta magazine/Quanta Newsletter

博科園-參考論文文獻DOI：

DOI：doi.org/10.1038/s41586-018-0449-8

DOI：doi.org/10.1038/nature17173

DOI：doi.org/10.1038/nature24271

DOI：doi.org/10.1016/j.cell.2018.08.071

博科園-傳遞宇宙科學之美

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！