之前我们介绍了“永生DNA链假说”,这是⼀个⾮常“聪明”的减少癌症发⽣率的⽅法,可以说保护着我们中的⼤多数⼈免得癌症。在科学探索的历程中,哪些实验验证了这个假说?为了证明⼲细胞能够保留永⽣的DNA链,Cairns与Christopher Potten合作,⽤3H胸腺嘧啶标记⼩⿏⼩肠⼲细胞形成时的DNA,4周后观察这些具有放射性的DNA分布情况。
结果发现,随着细胞分裂次数的增加,具有放射性的DNA由于随机分配⽽不断“稀释”,导致放射性强度降低。但是在隐窝深处,从底部往上算起第4位上的细胞放射性强度很⾼,与DNA刚被标记时相当。这⾥正好是⼩肠⼲细胞所在的位置,所以很可能是⼩肠⼲细胞在⼀直保留被标记的DNA链。⽤同样的⽅法,Cairns与Potten在⾆头味蕾基部(也是⼲细胞所在的位置)发现了少数保留放射性DNA的细胞。
这些结果也都⽀持了永⽣DNA链的假说。其他科学家对动物、植物、真菌进⾏了多次观测,并证实了Cairns的观察结果。在这些研究中,细胞都能⻓时间保留标记的DNA链,因⽽被称之为“标记保留细胞”(Label retaining cells, LRCs)。
它们在数量上远少于组织中的其他细胞,⽽这正是⼲细胞在各种组织中数量的特点,其位置也符合⽤其它⽅法发现的⼲细胞的位置,与Cairns关于⼲细胞能够选择性地保留永⽣的DNA链的理论相符。这些实验说明DNA链的⾮随机分配是⼀个在⽣物界中普遍存在的现象。
2002年,为了证明⼩肠绒⽑中标记保留细胞确实在分裂,除了⽤3H胸腺嘧啶标记DNA链外,Potten还⽤BrdU(溴代脱氧尿苷)标记以含3H的DNA链(爷爷辈的)为模板合成的DNA链(⽗亲辈的)。在BrdU标记后的第⼀天,90%以上的⼩肠绒⽑隐窝第4位的细胞都被3H和BrdU同时标记,说明这些细胞在被3H标记后进⾏过细胞分裂(这样BrdU才能组⼊新合成的DNA链)。
在往后的⽇⼦中,第4位的细胞⼀直保留3H标记,⽽BrdU的信号却逐渐下降,到第8天时信号强度只余下3%。如果第4位的细胞不分裂,3H和BrdU的信号都应该⼀道被保留,⽽如果细胞分裂时DNA的分配是随机的,3H的信号和BrdU的信号都应该同时被稀释⽽不断降低。实际观察结果说明,这些细胞在不断地进⾏不对称分裂。
继续作为⼲细胞的⼦细胞保留了被3H标记的、辈分较⾼的DNA链,⽽被BrdU标记的⽗亲辈DNA链则被分配到要进⾏分化的⼦细胞中去,在其后的对称分裂中逐渐被稀释。这是对⼩肠⼲细胞进⾏不对称分裂,选择性地保留DNA链原件最强有⼒的证据。2007年,美国斯坦福⼤学的Thomas Rando⽤氯代脱氧尿苷(CIdU)和碘代脱氧尿苷(IdU)来标记⼩⿏的肌⾁⼲细胞。
⼲细胞原本的DNA是爷爷辈的,不进⾏标记;其第⼀轮分裂时形成的DNA为⽗亲辈的,⽤CIdU标记;第⼆轮分裂时的DNA为⼉⼦辈的,⽤IdU标记。标记后的细胞被分开为单个细胞培养,让细胞完成第⼆轮分裂。为了更好地追踪细胞第⼆轮分裂的情形,Rando在培养基中加⼊了细胞松弛素(cytochalasin D)。
细胞松弛素不影响细胞核的分裂,但能使分裂形成的两个⼦细胞不会完全分开,⽽是形成细胞对,这样就可以确保这两个细胞是来⾃同⼀个⼲细胞。染⾊结果表明,所有的⼦细胞都含有IdU的染⾊,但是CIdU染⾊只集中在其中的⼀个⼦细胞中。由于CIdU标记的是⽗亲辈的DNA链,不显示CIdU染⾊的细胞应该就是爷爷辈的DNA链。那么是哪⼀个⼦细胞仍然保留⼲细胞的特性,哪⼀个⼦细胞会进⾏细胞分化呢?
在这⾥,Rando利⽤“肌间线蛋⽩”(Desmin)来区分两个⼦细胞。由于要分化为肌⾁细胞的那个⼦细胞会表达肌间线蛋⽩,⽽继续保留为⼲细胞的那个⼦细胞不会表达肌间线蛋⽩,看看肌间线蛋⽩在哪个⼦细胞中表达,就可以知道哪⼀个是⼲细胞,哪⼀个是要分化的细胞了。
实验结果表明,继承CIdU标记的⼦细胞表达肌间线蛋⽩,⽽不继承CIdU的“⼦”细胞不表达Desmin,这就清楚地表明继承爷爷辈DNA链的⼦细胞继续为⼲细胞,⽽继承⽗亲辈DNA链的⼦细胞是要进⾏分化的细胞。Cairns在1975年提出的⼲细胞保留永⽣DNA链的理论,也得到了充分的证明。我们的身体每天要进⾏⼤约2万亿次细胞分裂。
尽管有这么多次的细胞分裂,但是多数⼈在⼀⽣中并不会得癌症,其中⼀个重要的原因就是⼲细胞有保留DNA原件的本事。当然这个机制也不能保证我们完全不得癌症。⼲细胞除了进⾏不对称分裂,有时也会进⾏对称分裂,即两个⼦细胞都是⼲细胞,以便在需要时增加⼲细胞的数量,或者在⼲细胞受损的情况下恢复⼲细胞的数量。
在对称分裂过程中,低辈份的、带有序列变化的DNA链就会被保留在⼀部分⼲细胞中,因此不是所有的⼲细胞都能够永远保留DNA的原件。⽽且除了细胞分裂导致的DNA序列变化,身体内部(例如活性氧)和外部(例如紫外线和环境污染)的因素也能够破坏DNA,造成⼲细胞DNA的序列变化,这是⼀部分⼈仍然会得癌症的原因。
但是⼲细胞保留DNA原件的机制,仍然在保护着我们中的⼤多数⼈免得癌症,我们也应该感谢⽣物演化过程创造出来的这个奇迹。