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潜能:全能、多能与多潜能

并非每个干细胞都能变成任何东西。“潜能”就是一套精确描述“一个细胞还剩多少种命运可走”的词汇——而发育的故事,正是这个数字一步步缩小的故事。

一个词,对应一个问题

在上一篇里,你认识了[[stem-cell-cb|干细胞]]——它是由两种能力同时定义的细胞:它能通过自我更新复制自己,也能通过分化产生各种特化的细胞。但第二种能力会引出一个显而易见的问题:到底能产生*什么*?躺在你骨髓里的一个干细胞能造出血细胞,却永远造不出一个神经元。而你最初由之而来的那个受精卵,却能造出这一切,还不止于此。两者都是干细胞。它们之间的差别,正是本篇要讲的东西。

生物学家用一个词概括这种差别:[[cell-potency|潜能]](或称分化潜能)。潜能不是衡量一个细胞“有多能干”,也不是衡量它“能造出多少个”细胞。它只回答一个问题:对这个细胞的后代来说,还有多少*种类*的细胞留在“菜单”上?一个几乎什么都能变成的细胞,潜能很高;一个只能变成一种东西的细胞,潜能则近乎为零。可以把它想成“尚未关闭的选项”的多少——还有多少扇门没有合上。

阶梯的顶端:全能性

最强大的细胞是[[totipotent|全能]]细胞,而它之所以居于一切之上,有一个精确的理由。一个全能细胞能造出体内的*每一种*细胞类型——还能造出根本不属于身体的那部分:胎盘以及其他支持性组织,正是它们把胚胎与母体连接起来。后半句才是关键所在。全能性,就是能从零开始搭建出一个完整、能存活的个体,连“生命维持系统”一并造齐的能力。最清楚的例子就是受精卵(合子):那个单一的受精卵细胞,也正是这一级开篇所说的那个细胞。

在短短一段时间里,全能性是会持续的。受精卵分裂成 2 个、4 个、再到 8 个细胞后,在许多哺乳动物中,这些早期细胞每一个都仍是全能的——这也正是为什么把一个非常早期的胚胎分开,可以产生同卵双胞胎,每个细胞都各自去搭建出一个完整的个体。但这种能力转瞬即逝。几天之内,随着胚胎自我组织,细胞们便分头“投身”:要么成为未来的身体,要么成为胎盘。当一个细胞再也造不出胎盘的那一刻,它就从最高一级走下来了。全能性,是整条阶梯上最短暂的状态。

拾级而下:多能性与多潜能性

再往下一级是[[pluripotent|多能]]细胞。一个多能细胞仍能变成*身体本身*的任意一种细胞类型——从神经元到肌肉再到皮肤,那数百种特化类型,无一例外——但它已经造不出胎盘了。正是这唯一缺失的能力,划出了全能与多能之间的界线,而这条线很容易被混淆,所以请牢牢记住。实验室里培养的著名的[[embryonic-stem-cell-cb|胚胎干细胞]]就是多能的:它们取自一个几天大的胚胎内部的细胞团,能被诱导走向几乎任何身体组织,但单凭自己却造不出一个完整的个体,因为它们造不出维持其生命的那层“包裹”。

再往下一级是[[multipotent|多潜能]]细胞。一个多潜能细胞已经“认定”了一*个家族*的细胞类型,能造出这个家族里的好几个成员——但也仅限于这个家族。教科书里的典型,就是你骨髓里造血的(造血)干细胞:它能变成红细胞、白细胞和血小板——许多彼此相关的命运——却没法跨界去造一个肝细胞或一个神经元。关键在于,这些可不是实验室里的稀奇玩意儿。多潜能干细胞此刻就活在你成年的身体里,终你一生默默地补充血液、皮肤和肠道内衬。你实际拥有的干细胞,大多数都是多潜能的。

阶梯的最底端是单能细胞。一个单能细胞仍能自我更新——正是这一点让它还算是干细胞,而不只是一个普通细胞——但它只能产生单一一种细胞类型。皮肤里有单能干细胞,除了更多皮肤细胞之外什么都不造;某些肌肉干细胞则只造肌肉。分裂的能力完好无损;只是菜单缩到只剩一道菜。而在它之下,还有那已经完全分化的细胞,它已抵达一种稳定的命运,并且在大多数情况下彻底停止了分裂——这就是终点。

POTENCY                CAN BECOME...                    EXAMPLE
---------------------------------------------------------------
totipotent     whole body + placenta (everything)      zygote, ~2-8 cell stage
   |
pluripotent    any body cell type (not placenta)       embryonic stem cell
   |
multipotent    one family of related types             blood (hematopoietic) stem cell
   |
unipotent      a single cell type (still self-renews)   some muscle / skin stem cells
   |
(differentiated)   one fixed job, usually no division   neuron, red blood cell
潜能阶梯。每往下一步,都会关掉一些命运、同时保留另一些;只有最顶层能造出胎盘,也只有在最底层之上,一个细胞才能造出不止一种类型。

为什么菜单会缩小

接下来这一点常让人吃惊,而它又直接接回你已经爬过的“基因组”那几级。当一个细胞失去潜能时,它*并不会*丢掉 DNA。一个神经元、一个血细胞和一个皮肤细胞,几乎都带着一模一样、完整的基因组——也就是你早先学过的那同一本“说明书”。菜单缩小,并不是因为菜谱被删掉了,而是因为大多数菜谱被*关掉*了。

做这件事的,正是基因调控,与“调控”那一级所讲的分毫不差。当一个细胞做出“认定”时,它会把基因组上一整片一整片的区域封锁起来——把那段 DNA 缠得更紧、给它打上化学标记(例如 DNA 甲基化),并改变细胞内存在着哪些转录因子——于是通往其他命运的那些基因,就再也读不出来了。一个神经元体内,变成肝细胞的那套说明其实仍实实在在地存在着;只不过被牢牢锁死了。失去潜能,与其说像从一本食谱里撕掉书页,不如说像越来越多的书页被胶水粘住,直到只剩一章还能翻得开。

在现实中读懂潜能

手里握着这条阶梯,许多新闻标题就开始说得通了。当一则报道说科学家“用皮肤造出了多能细胞”时,那句令人挑眉的论断是有精确含义的:他们并不只是把一个多潜能细胞挪了挪位置——而是把一个细胞硬生生地往上拽了整整两级,重新打开了那些早已被关上的命运。当某家诊所兜售“成体干细胞”疗法时,诚实的解读是:那些细胞几乎总是多潜能的,对它们所属的那一族组织有用,再远就不行了——绝非一把通往每个器官的万能钥匙。知道它在哪一级,就能让你判断什么靠谱、什么不靠谱。

在你继续之前,有两句诚实的提醒。第一,这条阶梯是一张好用的地图,而不是一条物理定律:那些层级是真实且有序的,但层与层之间的边界可以很模糊,有些细胞就尴尬地卡在已命名的两级之间。第二——也更重要——潜能高并不等于“更好”。一个全能细胞强大得惊人,可一个全部由全能细胞构成的身体,将只是一团没有形状的肉块,永远成不了一个能运转的个体。发育的全部成就,恰恰在于潜能那*受控的、有意为之的丧失*:用原始的“无限可能”,去换那些真正承担“活着”这件事的、特化而专一的细胞。变窄不是失败。它正是目的所在。