當大多數哺乳動物細胞群體面臨養(yǎng)分或氧氣不足時，它們更傾向于選擇“人人為己”而不是“人人為我,，我為人人”,。不像細菌菌落中細菌之間經常相互合作而一起茁壯成長，科學家們從沒有觀察到哺乳動物細胞彼此之間相互協(xié)助,。但是在一項新研究中,，研究人員證實某些人胚胎干細胞(human embryonic stem cells, hESCs)當處于不利條件時，它們產生的分子不僅有益于它們自己,，而且還有利于附近的細胞存活,。2012年6月11日相關研究論文在線發(fā)表在Stem Cells期刊上。該論文描述了hESCs的利他行為,。
盡管利他主義普遍被認為是一種美德,，但是對hESCs而言，它也有缺點：那些利他性細胞似乎更容易積累突變,，而這是一種可能導致癌癥的標記,。更好地理解hESC利他行為可能有助于人們加深對抗癌療法的認識，從而有助于科學家們更好地開發(fā)出安全和有效的干細胞療法來治療其他疾病,。
這一發(fā)現(xiàn)起源于論文通訊作者,、美國斯坦福大學博士后學者Bikul Das博士對hESCs在低氧環(huán)境下如何作出反應的研究，其中低氧環(huán)境比較重要,，這是因為很多癌性腫瘤都是處于在低氧環(huán)境下,。胚胎干細胞能夠分化為許多種不同類型的細胞。Das發(fā)現(xiàn)當將hESCs在氧氣濃度只有0.1%的環(huán)境中放置24小時時,，產生的自由基開始造成一些細胞發(fā)生內部損傷,。90％的胚胎干細胞分化成其他類型的細胞或死亡，只有10％維持它們所謂的“干性”,，這意味著它們保持產生任何類型細胞的能力,。Das想知道是什么將這些更加多的細胞區(qū)分開來，因而開始基于它們含有的分子對它們進行分類,。
Das和他的同事們發(fā)現(xiàn)對在缺氧條件下存活的胚胎干細胞而言,，它們中的一半含有高水平的HIF2-α(一種加大抗氧化分子產生的蛋白)和低水平的p53(在正常條件下，當細胞DNA積累太多損傷時,，該蛋白促進細胞死亡),。Das發(fā)現(xiàn)HIF2-α和p53的水平足以通過關閉通常參與分化過程中的細胞途徑來阻止這些干細胞分化。
但是另一半保持干性的胚胎干細胞擁有相對正常水平的HIF2-α和p53,。除了其他細胞提供幫助之外,，研究人員實在很難解釋它們在沒有HIF2-α和p53的幫助下如何保持未分化的狀態(tài),。
為了測試這一理論，Das和他的加拿大多倫多大學同事們讓這些擁有高水平HIF2-α和低水平p53的胚胎干細胞在細胞培養(yǎng)液中培養(yǎng)24小時,，然后,，他將這些細胞移除，將那些沒有高水平HIF2-α和低水平p53的胚胎干細胞加入進去,。果然,，當這些細胞混合物被剝奪氧氣時，它們仍然保持它們的干性,。培養(yǎng)液中的分子能夠阻止它們分化,。研究小組發(fā)現(xiàn)一種存在于培養(yǎng)液中的重要分子是一種被稱作谷胱甘肽的抗氧化劑。
科學家們以前發(fā)現(xiàn)當胚胎干細胞處于不利條件時,，HIF2-α和p53水平增加,，并且大多數細胞分化或者死亡。當前的這項研究不同尋常在于Das和他的同事們能夠從胚胎干細胞中分離出產生低水平p53的利他性細胞,，這有助于它們它們逃避死亡或分化,。
更為重要的是，Das發(fā)現(xiàn)當人胚胎干細胞(hESCs)處于不利條件下,，p53水平在一段時間內按照一種固定的模式發(fā)生波動,。依賴于波動周期中的p53水平(高或低)，干細胞停止它們正常的細胞周期,，而遵循三種途徑之一：它們分化,，它們死亡或者它們修復細胞中的損傷，這樣它們能夠繼續(xù)存活,。盡管并不是所有的細胞周期同時停止,，但是它們都是這樣做的。
Das說,，“我們知道這些波動發(fā)生,，但是我們從未理解為什么”，而且已知其他參與細胞內部修復機制的蛋白并不像p53那樣發(fā)生波動,。
但是,，他說，這項新發(fā)現(xiàn)有助于解釋它的重要性,。只有在波動的一個特定點---在任何給定的時間都影響大約5%的細胞---中,，hESCs保持它們的干性和分泌足夠的谷胱甘肽來幫助它們的相鄰細胞做同樣的事情。如果p53水平在所有細胞中同時都是一樣的,，那么整個干細胞群體能夠立即分化或死亡,，從而沒有留下用于未來新細胞生產的干細胞,。因此,，p53波動能夠讓一些hESCs---在給定時間內碰巧含有低水平p53時---在不利條件下維持干性,。它解釋著為什么只有一些hESCs產生利他性行為。
人們之前從未知道p53波動和干性之間的聯(lián)系,。理解這一聯(lián)系可能有助于科學家們改造干細胞進行疾病治療,。
抑制p53的干細胞的缺點在于突變能夠在細胞中積累，同時不導致細胞死亡,。
Das猜測,，“從進化上講，這是所有的細胞在處于不利條件時并不抑制p53的原因,。從基因組穩(wěn)定性來講,，這過于冒險了。”
當Das領導的研究小組將表達高水平HIF2-α和低水平p53的hESCs移植到小鼠體內時,，只需相對較少的利他性細胞就能夠觸發(fā)畸胎瘤產生,。Das說，這是一個大的進步,，因此這可能解釋了人類癌癥如何產生,，但是它也可能提示著一種理論：在低氧環(huán)境下，一小部分細胞處于高HIF2-α/低p53的狀態(tài),，并開始積累突變,，其中一些突變最終導致癌癥。
如今,，Das和他的同事們正在研究這種有助于hESC在低氧環(huán)境下存活的利他影響是否也能夠應用于成體干細胞,。盡管成體干細胞并不能夠分化為體內任何一種類型的細胞，但是它們保留著分化為一些類型的細胞,。
他說,，“我們想觀察這種利他行為是否適用于間充質干細胞和造血干細胞，因為這些成體干細胞在倫理上要比胚胎干細胞更適合于未來的干細胞治療”,，另外,，它可能對科學家們而言還需要花費幾年時間才能充分地理解干細胞利他行為的影響。(生物谷 Bioon.com)
doi:10.1002/stem.1142
PMC:
PMID:
HIF-2α Suppresses p53 to Enhance the Stemness and Regenerative Potential of Human Embryonic Stem Cells
Bikul Das, Reza Bayat-Mokhtari, Micky Tsui, Shamim Lotfi, Rika Tsuchida, Dean W. Felsher, Herman Yeger
Human Embryonic Stem Cells (hESCs) have been reported to exert cytoprotective activity in the area of tissue injury. However, hypoxia/oxidative stress prevailing in the area of injury could activate p53, leading to death and differentiation of hESCs. Here we report that when exposed to hypoxia/oxidative stress, a small fraction of hESCs, namely the SSEA3+/ABCG2+ fraction undergoes a transient state of reprogramming to a low p53 and high HIF-2α state of transcriptional activity. This state can be sustained for a period of two-weeks and is associated with enhanced transcriptional activity of Oct-4 and Nanog, concomitant with high teratomagenic potential. Conditioned medium (CM) obtained from the post-hypoxia SSEA3+/ABCG2+ hESCs showed cytoprotection both in vitro and in vivo. We termed this phenotype as the “enhanced stemness” state. We then demonstrated that the underlying molecular mechanism of this transient phenotype of “enhanced stemness” involved high Bcl-2, FGF-2 and MDM2 expression, and an altered state of the p53/MDM2 oscillation system. Specific silencing of HIF-2α and p53 resisted the reprogramming of SSEA3+/ABCG2+ to the “enhanced stemness” phenotype. Thus, our studies have uncovered a unique transient reprogramming activity in hESCs, the “enhanced stemness” reprogramming where a highly cytoprotective and undifferentiated state is achieved by transiently suppressing p53 activity. We suggest that this transient reprogramming is a form of stem cell altruism that benefits the surrounding tissues during the process of tissue regeneration.
