cell 新的研究领域 干细胞龛的新概念

没有哪个多细胞动物的细胞可以在缺乏周围环境的信号及支持的情况下独自生存。要想维 持特化组织的多细胞生活，组织结构就是一切，并且决定了，要想理解组织是如何发挥功 能，如何维持，以及如何修复的话，位置与细胞状态的联系是十分关键的。本回顾特别关 注了祖细胞和干细胞。特别强调的是造血细胞，它在自由移动与固定位置之间取得了平衡， 并且是人们认为已经显示出某种精度上调节性相互作用的地方。本文回顾了经典的以及新 出现的关于干细胞龛的概念，特别关注了干细胞龛的功能是如何参与肿瘤疾病的。 Introduction 生命群体中的“位置”是一个人类学概念，若不严格地应用在相互作用的细胞群体中 这种群体包括我们的身体也可能是正确的。在疾病中，信号分子的功能，区别， 响应性，以及产物，以及它们的参与程度都是有分级的。在能够了解染色质结构以及基因 表达的全基因组新技术已经确定了那些规定细胞状态的分子过程的量化精度，并且精度还 在不断提高时，细胞间相互作用的特征仍然有很大一部分是只能定性的。但是，细胞被引 诱产生并维持组织的原理，正越来越明显地是一个遗传模型，在这个模型中，被选择的细 胞亚群被修饰，或是被淘汰。以上这些例子的重要性关系到成熟的组织，以及评估组织的 动态平衡和修复是如何被诱导的。因此，它们较大地展示了干细胞和祖细胞的运作方式。 本回顾讨论了干细胞和祖细胞调控领域正在变化的图景，包括它们的位置，以及影响到它 们的相互作用是如何参与肿瘤的演化的。 历史背景 二战出现核武器之后，放射生物学受到了特别的关注，因为保护群体免受放射暴露是 一个最重要的公共健康目标。物理学家和生物学家们的联合努力包括用经典实验，以及一 次才华横溢的实验第一次在实验上确定干细胞，这次实验是由生物物理学家 Till 和医生， 细胞生物学家 McCulloch 完成（Becker et al.,1993；Till and McCulloah, 1961） 。他们确定了单 个细胞能再生由射线摧毁的组织的能力。像美国马萨诸塞州帕特森研究所这样的地方，集 合了像 T.Micheal Dexter 这样的血液学研究者，他开发出了共培养基质作为维持离体造血干 细胞（HSC）的手段，并且揭示了 HSCs 对骨髓中非造血性细胞支持的依赖性（Dexter et al.,1977） ；Brian Lord，他支持骨髓中结构组织的观念，这一观念揭示了活体中干细胞和祖 细胞的区域性（Lord et al.,1975） ；而 Raymond Schofield，他正式提出了干细胞龛的概念， 这一概念清楚地表达了活体中，一个特异性的微环境对干细胞功能上产生的作用 （Schofield，1978） 。合起来，他们奠定了学术上的基础，这些基础中的大部分之后在干细 胞龛生物学中得到了发展。 Schofield 设计出一套理论，即干细胞被固定在一个物理位置上，在那个位置上它们受 唯一的调控，没有自主性，如同传统观点提示的那样。他还很自然地认为干细胞龛有额外 的功能，包括对那些分化程度较高的细胞施加影响，使其转为干细胞状态（Figure.1） 。若 “一个干细胞的子代细胞能位于干细胞龛中并正常运转，它自己会变成一个干细胞” （Schofield, 1978） ，因此提出干细胞龛可以有效驱动细胞状态。他还注意到 “一个固定在 位置上 的造血干细胞可能不仅仅是一种可以获得其不死能力的工具，还可以是另一种工具， 通过这种工具可以最小化突变错误的数量” （Schofiled, 1978） 。一个在其干细胞龛中的细胞 具有自我更新的能力，但是他假定干细胞龛有一个特征，即从一开始就阻止自我更新的自 然结果，也就是阻止从自我更新的基因损伤的积累。因此干细胞龛可以从基因上限制已经 起变化的干细胞产生不断积累错误的正常造血作用。但是，正如 Schofield 谨慎注意到的那 样，干细胞龛的概念仍然是“无证据直接表明其存在” （Schofield, 1978） 。 生态学龛 Schofield“引入环境学中的假设 以解释干细胞的无限制增殖以及不能成熟” （Schofield, 1978） ，很清楚地将环境学的概念引用到组织生物学中。他所提到的生态学中 的龛，具有一些特征，他同时代的 P.J.Darlington 将这些特征明确地表达为一个“在功能上 增加竞争” （extended competition in action）的地方（Darlington, 1973） 。在他眼中，生态学 上的龛不同于“之前就存在的，有边界的鸽笼” ，而更像是一个环境，在这个环境中“压力 和过程”影响着其中居住者们那些相对富余的亚群（Darlington, 1972） 。复杂机体中细胞龛 生物学的绝大多数定义都集中于定义鸽笼成分，而现在一种更具活力的关于干细胞龛的观 念正在出现，并可能赞同 Schofield 的观念，即龛是一个最小化突变的地方。这些特征再一 次引用了生态学中龛，以及龛功能的概念。 举例来说，生态学中的龛可能被视为在一个给定环境中，决定其居民多样性的基础。 这就是说，在可用的特殊营养物质以及温度都是给定的环境中，特定的条件下，其中生存 的物种的范围将基于它们的相对竞争优势。环境条件固定时，有特定特性的亚群将居统治 地位，竞争力淘汰则会限制亚群的多样性（Levine and HillRisLambers, 2009） （Figure.2） 。这 一概念解释了在一个特定的龛中所出现的平衡状况为何会多样性受限，在龛中不是最优的 亚群会逐渐从居住生物群体中消失掉。但是若环境改变，将会使龛的“宽度”增加，之前 不占优势亚群繁荣起来的能力增加，亚群多样性增加。之后，多样化龛的存在可能使其自 身与之前被排除的亚群“共存” ，多样性的增加则可能允许种群之间产生不同的竞争关系。 龛的宽度是多样性的驱动者。 用于组织生物学的生态学概念 将这些概念用于组织内容物中的细胞群体，可能是思考在之前健康的组织中出现发育 不良细胞及癌变细胞的一个有用的工具。若细胞生物学中龛的宽度决定了组织中克隆细胞 亚群的多样性，那么应当满足这个情况：当龛发生相应变化时，组成发育不良或新生肿瘤 组织的那些已发生改变的细胞会更利于生存。有证据表明细胞龛与它们支持的实质细胞间 在产生异常组织方面存在协同性吗？ 要检验这一问题，需要做实验，实验要求龛中细胞的变化能被很好地控制。组成细胞 龛成分的细胞，对其特异亚群的修饰是有限的，这主要是因为对这些细胞特异性的定义仍 然十分有限。随着微环境中“支持”细胞所起作用的令人感兴趣的研究结果的变化，这些 限制也在变化。在一个尚不清楚干细胞/祖细胞是否参与进来的模型中，表达假定成纤维特 异性启动子（FSP1 ）的基质细胞中 TGF-beta受体的缺失引起胃侵袭性鳞状细胞癌，以及 前列腺上皮内瘤变（Bhowmick et al.,2004） 。其它研究显示诱导前列腺间叶细胞中 FGF10 过 度表达引起前列腺腺癌，以及前列腺基质细胞中染色质再成型蛋白编码基因（Hmga2）的 过度表达，并引起前列腺上皮细胞中 Wnt 信号途径发生改变，以及瘤变（Memarzadeh et al.,2007; Zong et al.,2012） 。这些实验揭示了对间叶支持细胞的修饰可以使上皮肿瘤出现。 异常的基质可以驱动实质细胞的瘤变。 环境使瘤变发生 在小鼠的造血过程中，骨髓微环境中的遗传性突变会骨髓增殖性瘤变。特别是 视黄素 酸受体 - （RARg）缺乏的动物会发生骨髓增殖，但若将 RARg/ 造血细胞移植到野生型 的骨髓中，则不会出现这种情况。甚至，基因上为野生型的造血细胞移植到 RARg/宿 主中会引起骨髓增殖（Walkley et al.,2007a） 。骨髓增殖跟造血细胞中任何基因变化都没有 明显的联系。但是，在 视网膜母细胞瘤基因 （Rb）缺失的背景环境下， 仅在微环境中 Rb 的缺失补充了 RARg 的缺失时，造血细胞会发生骨髓增殖（ Walkley et al.,2007b） 。任何一种 单独的细胞类型均不足以诱导骨髓增殖的表型。人们也发现瘤变表型可被微环境的基因性 质显著影响。将人类原癌融合基因 MLL-AF9（oncogenic human fusion of MLL-AF9）转导到 人类 CD34+ HSPC 中从而诱导出来的急性髓性白血病（ AML）有着差别非常大的表现形式， 这取决于接受细胞移植的免疫抑制小鼠家族（Wei et al.,2008） 。因此，微环境性背景条件 可以使造血系统出现瘤变，也可以修饰这种瘤变。 关注一下更特异性的细胞亚群，已找到清晰的证据，表明微环境的改变参与了瘤变的 发生。microRNA 加工酶或核糖体蛋白的缺失与一种在较早但非成熟期的骨谱系间叶细胞中 的人类疾病 Shwachman-Bodian-Diamond 综合征（SBDS）有关，它造成造血功能障碍 （Raaijmakers et al.,2010） 。在那个模型中，在有新的，多重基因损害的细胞中出现了少见 的过度生长，并转成了致死性急性髓性白血病。值得注意的是在三种可以详细研究的白血 病中有两种类型共有同样的染色体异常，提示异常细胞存在高度非随机性的过度生长。其 他人做的在小鼠成骨细胞中修饰 -联蛋白的附加研究于近期显示出现了急性髓性白血病， 它们都有同样的染色体改变，且 Notch 信号增加。在约 38%的人类 AML 患者的成骨细胞中 发现有相应的分子改变（Kode et al.,2014） 。更进一步来说，在接受了针对 AML 的同种异体 移植的患者中，有一些人白血病复发，源自供体细胞，这很强地提示他们存在促白血病的 微环境（Wiseman, 2011） 。这些数据提示，在发向其支持的实质细胞的信号可以改变的环 境中，细胞的扰动可以使发生改变的细胞亚群扩张，最终居主导地位并且致命。与在生态 学中十分相似的是，龛条件的转移可以允许亚群走向繁荣，在本例中，亚群是白血病细胞。 改变间叶细胞可以引起实质细胞的瘤变，尚不清楚这是由竞争性选择过程，还是由微 环境所提供的生长因子单纯地增高所致。However, other models indicate that the interface between a niche and its occupants can select for specific characteristics. 至少在一个经典的造 血作用的例子中就是这样，也就是 W/Wv 小鼠。在这种动物中，自发突变的酪氨酸激酶基 因 c-kit，损伤了造血细胞，并且特别使它们不能成功地与野生型 c-kit 竞争（Bernstein and Russell, 1959） 。野生型干细胞轻而易举地取代了 W/Wv 细胞，并使造血作用时间延长。因 此显示出了竞争劣势。对涉及龛内细胞的通路进行药理学操纵也可引起干细胞和祖细胞中 竞争关系的改变。非甾体类抗炎药（NSAID）廿烷类抑制剂的使用改变了趋化因子受体的表 达，比如 CXCR4，一种已知的 HSC 龛相互作用的中介物。这种 HSC 的廿烷类通路被特异性 NSAIDS 抑制，无法与未暴露于这种药物的细胞竞争（Hoggatt et al.,2013） 。因此，有选择的 扰动可以充分影响干细胞龛的相互作用，以改变组织中细胞群体之间的竞争动态。 龛的变异性 龛细胞获得基因上的改变，这种改变使龛有了变异性，并影响了实质细胞周围的环境， 这种改变的可能性部分依赖于龛细胞群的动态（The likelihood that niche cells acquire genotypic changes that introduce variability into the niche and affect the conditions for parenchymal cells is in part dependent on the dynamics of niche cell populations.） 。举例来说， 若龛细胞长期生存，并且仅通过成熟细胞的分裂来进行自身更替，一个龛细胞中的获得性 变化，与一个实质细胞中代偿性变化共同引起瘤变的潜力是比较小的。一个龛细胞或可发 生突变，但一般不会产生一个大的“突变范围” ，除非它完全转变了。但是，若龛细胞更活 跃地更替，并依靠干细胞池的自我更新来补充的话，突变就可以在龛细胞池中累积，产生 范围性的缺陷。这一异常的范围可能会改变龛培育或选择其中实质细胞的参数。通过形成 异常的范围，而不是单个改变的龛细胞，从假设上来看，代偿性异常使异常实质细胞适应 自身的潜力增加了（Figure.3） 。用于补充龛- 干细胞交界面其中一侧细胞的干细胞联合会产 生一种背景环境，在这种环境中每个干细胞群体的基因改变可以累积，并且若两侧细胞更 替有一定的速率，就更可能出现一对代偿性表型（译者注，说的是实质细胞的表型和间叶 细胞的表型，Fig.4） 。 骨髓中间叶细胞的动态 要搞清楚龛细胞的动态，就得把龛细胞的身份搞得很清楚，并且得有可用的基因工具， 能够完成脉冲捕获实验。在骨髓的骨谱系细胞中已经完成了这个实验，并显示出这些细胞 的更替速率相当的高（测量时间从周到月），这些细胞受一个干细胞/祖细胞群补充（Park et al.,2012）。首先要注意，该研究中，有“干细胞”特征的间叶细胞可以被连续移植，并 具有局部迁移和通过血液迁移的能力。因此，细胞群的动态以及功能提示，若细胞群中发 生突变影响到了造血细胞支持，它们就可以在骨髓中引起范围样的改变。尚不清楚这是否 能足够产生一个干/祖细胞龛的 “范围癌化”效应，但这些细胞的特征与所需要的那些特征 是相同的（Slaughter et al.,1953）。 后代细胞改变细胞龛 基因上修饰过龛和实质细胞的共存可能在任何一种基因事件不独立的环境中发生。在 很多组织中，已经发现从干细胞而来的子代细胞变成了龛细胞。在这些例子中，基因上发 生偏移的干细胞产生的后代，可能影响对母代细胞的那些适当约束（fitness contraints）。 举例来说，在小肠中Paneth 细胞是一种Lgr5+干细胞的后代，在调节Lgr5+小肠干细胞中起关 键的细胞龛的作用（Sato et al.,2011）。已经发现这一细胞类型改变干细胞的生长，这一点 后面会详细讨论。在毛囊中，K6+内突（inner bulge）干细胞进入细胞周期，分化，并且除 了参与毛发生长，还能回馈（revert to）内突，参与干细胞龛（Hsu et al.,2011）。它们不 是恢复成干细胞状态，但却可以调节邻近干细胞的增殖。随着后代细胞在龛中扮演中心角 色，干细胞中的改变有可能引起龛中的改变。 在造血过程中，三种类型的成熟造血细胞参与修饰局部干细胞微环境。巨噬细胞改变 干细胞的局限化，调控性T细胞则提供免疫庇护（sanctuary）（Chow et al.,2011; Fujisaki et al.,2011; Winkler et al.,2010）。另外，近期的工作提示巨核细胞提供了多种信号，这些信号 可以影响干细胞龛中的间叶成分，以及干细胞的细胞周期状态，诱导其静止（Heazlewood et al.,2013;Olson et al.,2013）（ Paul Frenette, personal communication）。在这一环境下，巨 核细胞向干细胞提供反馈，足够数量的这类更为成熟的细胞使得成熟程度较低的干细胞不 再有多余的活性。因此，异常干细胞产生的后代有可能无力约束干细胞自我更新的增殖能 力，引起肿瘤发生。现在这一模型仍然是个假设，但恶性人类综合征，比如脊髓发育不良 中显著的异常巨核细胞使人们确信这一模型会很快被检验。 疾病中细胞龛内的双向交流 龛内细胞的动态本质可能包括其它机制，通过这些机制，龛内细胞中的异常群体可能 形成它们喜欢的环境。一次研究记录了这种情况，在这次研究中，白血病细胞系影响了 HSC/祖细胞与骨髓的相互作用，机制是改变其动员能力（Colmone et al.,2008）。更确定的 是，引入造血细胞中的基因改变，在微环境细胞中引起了继发性改变，促使它们支持异常 的造血细胞群（Schepers et al.,2013）。利用一个BCR/ABL模型（裂点簇区（Bcr ）和Abelson 激酶（Abl）融合编码BCR/ABL蛋白）诱导骨髓增殖性瘤变（ MPN），揭示了造血细胞的这 种基本修饰是由骨谱系间叶细胞表达的分子增高来完成的，这种分子支持正常的造血过程 （例如CXCL12及KIT ligand）。这种结果为白血病细胞提供完全支持的微环境，同时对正常 HSCs和祖细胞有显著的坏处。因此，竞争平衡偏向恶性细胞，这不仅仅是由BCR/ABL转化 细胞的内在特征引起的。甚至，BCR/ABL细胞可以有效地诱导细胞龛向有利于它们的方向转 变，并伴有正常细胞竞争者的继发性减少：无情的相邻细胞啊。 这种双向会话可能不仅限于间叶细胞，因为参与细胞龛的神经细胞群在组织功能障碍 的环境中也受到影响。新出现的数据提示神经嵴来源的无髓鞘Schwann细胞与骨髓中的交 感神经细胞一起，在跟JAK2-V617F突变有关的骨髓增生性瘤变的环境中变得异常。这些肿 瘤性造血细胞损伤了交感神经系统的活性。用3拮抗剂介入对抗神经的缺损，可以部分逆 转造血方面的表型（S.Mendez-Ferrer, personal communication）。因此龛内的异常居住细胞 可以与相对应的龛细胞形成共生关系。 这个模型的意义在于对肿瘤形成的介入不必限于我们所认定的肿瘤细胞本身。甚至， 若肿瘤形成是受龛和龛内细胞的联合变质所促进的，那么从理论上说对龛进行攻击就有可 能获得好处。癌是一种组织疾病，不只是哪一种特定细胞类型的疾病，这一观点长期以来 都有争议，而这个模型为这一观点提供了支持。它并没有否定细胞自主性驱动转化的极端 重要性，但提示（龛细胞与龛内细胞）的协同性，值得人们去探索。 近期的书籍提供了关于介入特异性改变龛的证据，显示在活体中，骨谱系间叶细胞中 甲状旁腺激素受体的灭活引起了白血病干样细胞的减少，不管这种灭活是基因性的还是药 物性的（Krause et al., 2013）。因此，龛细胞与龛内细胞这种持续不断且高度可塑的关系或 许最终会揭示出新的，针对某些癌症的生物学驱动的方法。 龛是细胞状态的驱动者 龛细胞和干细胞之间的交流很明显是双向的，不只是龛细胞会被龛内的干细胞影响， 龛可以是占主导地位的，并向其中生存的细胞施加干细胞的特征，正如Schofield预见的那 样（Schofield, 1978）。龛向细胞施加干细胞特性的能力首先在果蝇实验中得到支持 （Brawley and Matunis, 2004）。两次研究揭示了精细胞龛可以让正在成熟的细胞恢复精细 胞样特征。在雄性中，一个空的睾丸细胞龛被前精原细胞（prospermatogonia）占据，会使 得这些细胞恢复成精细胞的干细胞状态（a germ cell stem cell state）（Brawley and Matunis, 2004）。人们已经发现，卵巢小管也类似，可以通过干细胞的后代细胞来代替丢失掉的卵 细胞，这些后代细胞有能力获得干细胞的特征，并与其它干细胞干细胞竞争细胞龛 （Nystul and Sprading, 2007）。人们认为，在性成熟间隔很长的动物中，比如大多数哺乳 动物，这样一个模型是不利的，并且可能被选择性不利，因为让细胞重获自我更新的能力 是癌变的第一步（and may be selected against since enabling cells to reacquire self renewal would be a set-up for cancer）。祖细胞的“一过性扩增”池被认为是一种可以让细胞扩张 同时减少任何获得性突变持续性的方法。若细胞通过占据一个空闲的龛就可以自我更新， 它们就不再是暂时性的了，与癌症有关的多种基因改变的风险也就会增高。近期的数据不 支持哺乳动物中的微环境不能使成熟细胞恢复干细胞状态的预言。 在小鼠中利用高级的（elegant）谱系追踪方法，人们已经在某些实验系统中展示了干 细胞特性（stemness）的诱导。小肠腺中短寿命的多能上皮细胞表达D1，那个启动子被 用来标记祖细胞，并追踪祖细胞的命运（van Es et al.,2012）。在活体中上皮损伤的条件下， 这些细胞提供了长期的多谱系重建，这与微环境诱导的干细胞状态逆转相负荷。在皮肤中， 已经发现激光切除产生的空闲毛囊干细胞龛可以被有效地重新注入一个非干细胞的细胞群， 而承担干细胞的功能（Rompolas et al.,2013）。在毛芽中，干细胞的功能随细胞在静止的内 丘中上部区域（upper region）内的位置而高度区域化，下部内丘细胞分裂，并伸出柔软的 外根鞘细胞，这些干细胞在其下面产生分化的细胞群。这些位置/功能相关性与在小肠中记 录的情况类似，在小肠腺的基底部完全不同的位置上的干细胞，有的细胞周期很快，有的 处于静止（Li and Clevers, 2010）。在皮肤中，可以用激光烧灼清空特定的区域。特别的是， 丘细胞的丢失会使其它承载着表皮细胞标志物的表皮细胞移位，这些细胞来自囊内区，或 其它非丘部位置（Rompolas et al.,2013）。然而，这些细胞可以产生和再生毛发，并与完整 的毛囊重新组成位置/功能关系。看起来，细胞龛可以仅凭细胞在其中居住，就驱动细胞命 运转向某种群体。细胞命运的这种可塑性，以及向组织特异性多潜能细胞状态的转变，已 经在过去的实验中通过基因操纵的方式实现了（Nutt et al.,1999）。但是，基于细胞龛环境 信号而产生的这种重编程的能力掩饰了一个新水平上的可塑性。 很显然，某些位置的去分化效果更像是可以普遍化的。通过耗竭肺中的干细胞， Rajagopal及其同事们展示了基底细胞，也就是气道上皮的一种多潜能干细胞的缺失，使得 成熟的分泌细胞（Clara细胞）谱系恢复为功能性干细胞，从而能够重新同时产生Clara细胞 和纤毛细胞（Tata et al.,2013）。Clevers等人对胃进行研究，发现成熟细胞有类似的情况， 在他们的研究中是完全分化的主细胞，它们仍然表达包括troy在内的干细胞相关性基因， 这些主细胞可以表现出干细胞样功能（Stange et al.,2013）。后一个模型更像是成熟细胞对 干细胞特性的一种“偶发性”表现，而不像是一个去分化过程（Yanger and Stanger, 2011）。 This model would argue for a reserve population of cells with stem cell capacity essentially at the “ready” in times of need。细胞命运的这种重新取得或继续干细胞功能的弹性的范例，分别 支持不同的环境能够对细胞状态带来显著转变的观点。是什么样的机制调控这些改变尚不 十分清楚，通过对胃的这些研究，可能来自troy+主细胞附近凹陷处间质细胞中的 Wnt信号 途径，也许提供了本质上的线索。在肺部的研究中，人们观察到对其它细胞类型的一种非 常有意思的依赖性。 肺部中，向干细胞样状态的逆转过程，受到邻近存在的干细胞的阻止。在活体外，单 个基底细胞就足以压制分泌性Clara细胞不转向干细胞状态（Tata et al.,2013）。因此，这些 数据会支持这样的观点，即空闲的龛可以促进分化，但是受到其它干细胞施加的相当有力 的强迫压制。若一个干细胞可以限制一个已分化细胞恢复干细胞状态的能力，那么龛内居 住的细胞可能就不仅仅是填充一个别的处于空闲状态的，可以使细胞出现干细胞状态的空 间。不如说，它们可能向它们的后代细胞“超前运送”了抑制性信号，限制了可以重获干 细胞状态的细胞的数量。龛诱导干细胞状态的能力是受已存干细胞影响的。 Tissue Logic in the Niche 若干细胞状态可以受龛的影响，而龛也可以受干细胞的影响，那么是什么边界让龛和 干细胞的数量保持恒定？一定存在直接的组织者。在成年组织中探索这一组织者是很复杂 的，但造血系统提供了一些视野。人们已经在与Nestin-hi（富含神经巢蛋白属中间微丝） 间质细胞紧密相邻的小动脉中发现了静止HSCs，这种间质细胞在骨内区域中很丰富 （Kunisaki et al.,2013）。与窦状小管近端的情况相比（有其它的间质细胞与它们发生联系） ，这样一种物理联系显然不是随机的（Ding et al., 2012; Kunisaki et al.,2013）。移植过的 HSCs也表现出更喜欢接近骨内的小动脉周围位置（Spencer et al.,2014），并且许多研究已 经提示，在人类和小鼠中，HSCs优先局限在骨小梁的骨内区域（ Ellis et al.,2011; Guezguez et al.,2013; Nombela-Arrieta et al.,2013）。已经报道Nestin+细胞修饰干细胞功能（Mendez- Ferrer et al.,2010）。切除这些细胞会减少HSCs的数量。对移植后的细胞小群体的高分辨率 成像提示干细胞和祖细胞定居在骨髓中完全不同的位置；位置具有细胞状态相关性（Lo Celso et al.,2009）。在像小动脉或骨小梁内膜这样的宏观解剖结构中识别出来的细胞的组 织过程，也就是细胞状态与特定位置的配对过程，暗示在结构层面或组织层面上存在一种 控制。这就是说，龛的组织过程反映了某种影响，这种影响形成了一个组织或维持组织的 脉管系统的形态发生过程。这包括生物机械力量，实验现在已经发现这种力量影响着骨骼 肌，造血细胞，以及多种其它干细胞类型的分化和增殖（Gilbert et al.,2012; Lutolf et al.,2009; Shin et al.,2014）。 龛是组织和机体状态的沟通者 干细胞自我平衡和自我修复的功能所要求的是，它们被一种与生理背景相适应的方式 所调控。这种方式本身必须有获得某种输入的能力，这种输入反映了组织和器官状态，并 使这种输入与干细胞保持一致。因此细胞龛可以被视作信息的整合者和翻译者，这些信息 来自组织中干细胞的本部，以及其它更远的位置（Figure 5）。Combined, these functions make it unlikely that any single cell type comprises the niche for complex, rapidly turning over tissues like blood, skin, intestine, and airway. 在骨髓中，整合组织和机体的输入信息以便生 产红细胞的这种需求，决定了龛包括循环系统细胞，神经细胞，以及免疫系统细胞。 人们已经作出了支持以上各个系统作用的实验证据。对循环系统，在Tie2启动子控制 下表达Cre重组酶的表皮细胞，被用来条件性删除 KIT ligand或CXCL12 ，并引起HSC在骨髓中 数量下降，提示这一细胞类型对维持HSCs的必要性（Ding and Morrison, 2013; Ding et al.,2012; Greenbaum et al.,2013）。更进一步的，已经发现表达VEGFR2的窦状小管表皮细胞 对放疗后HSC和祖细胞的植入是必要的（Hooper et al.,2009）。对骨髓血管内皮的保护提高 了放疗后造血作用的存活及再生（Doan et al.,2013），而将表皮祖细胞加入干细胞移植物 中，则增强了植入效率（Salter et al.,2009）。这些研究揭示了内皮参与调节干细胞和祖细 胞。 神经系统是更加明确的一个整合者，整合来自远距离部位的信息。神经系统参与HSCs 调控的证据来自某些实验文字。首先，交感神经元通过3 肾上腺素受体活化来调控干细胞 的局限化（Katayama et al.,2006）。糖尿病模型中，骨髓中存在的发生改变的交感神经元， 与HSPC被G-CSF动员而发生改变的能力，以及细胞毒性化疗相关性交感神经损伤对造血系统 恢复的不利影响有关。其次，为无髓鞘Schwann细胞服务的神经胶质细胞激活TGF，从而 调控HSC的静止，这从骨髓中肾上腺素神经元破坏引起HSC缺失可以明显看出（Yamazaki et al.,2011）。 免疫系统参与干细胞调控的证据包括T淋巴细胞参与HSC的移植（Adams et al.,2003）， 以及去除T细胞伴有临床上移植的失败（Ash et al.,1991）。随着移植，骨髓中的调控性T细 胞为HSC提供了免疫庇护（Fujisaki et al.,2011）。这三个系统在某种意义上说，是机体水平 的专业信息整合者。它们的输出信息是一种手段，通过这种手段，HSC可以在单细胞水平 上“读取”这些信息，读到机体的需求。 HSC反映机体状态的证据见于某些实验文字。首先，3-肾上腺细胞对干细胞局限化的 调控，已经被同中枢神经昼夜节律联系起来（Mendez-Ferrer et al., 2009）。HSCs在整个成 年期，在每日的基础上，以不断变化的频率从骨髓中迁入迁出，每日的基础受交感神经系 统细胞调控，HSC 移植的效率受昼夜节律影响（Mendez-Ferrer et al.,2009; Scheiermann et al.,2012）。神经系统输入信息与造血作用活性的这种联系不仅见于哺乳动物，因为人们已 经发现在果蝇中，通过食物气味刺激嗅神经造成GABA释放，产生的反应是造血祖细胞分化 的改变（Shim et al.,2013）。 HSC的增殖是对组织或机体需求急性反应的一个例子，它对免疫引发物有反应，比如 干扰素（Essers et al.,2009）。在一个分枝杆菌系统性感染的模型中，HSC对干扰素有 反应，改变了自己的增殖活性（Baldridge et al.,2010），在假单胞菌脓毒血症中，它们以一 种TLR4依赖性方法，降低了髓系分化能力（Rodriguez et al.,2009）。其它系统性输入信息也 影响干细胞和祖细胞池。果蝇中氨基酸水平直接调节造血祖细胞分化，增进分化，因此在 氨基酸缺乏改变了mTor 活性的条件下，祖细胞减少（Shim et al.,2012）。在小肠干细胞 （ISC）中，已经优美地展示出营养状态不直接影响干细胞，而是通过龛来影响干细胞 （Yilmaz et al.,2012）。在对ISC的调控中Paneth细胞是关键参与者（Sato et al.,2011）。卡 路里限制降低mTorc1 信号途径，造成胞外酶，也就是骨基质抗原-1水平降低，产生ADP-核 糖（Yilmaz et al.,2012）。然后ADP-核糖以一种旁分泌方式增强ISC的自我更新。在这种方式 中，细胞龛将机体营养状态翻译出来，激活干细胞。 龛的亚型调控干细胞和祖细胞的特定亚型 用于调控干细胞和祖细胞分化的信息，也很可能是在多个水平上受控制的。就细胞产 物而言，在更替很快的组织中，祖细胞池或一过性扩增池可能被视为对变化的需求反应最 灵活的细胞群体。该群体有高度复制性，并对细胞因子有很高的反应，并且已发现祖细胞 对干细胞有反馈作用。举例来说，已经发现果蝇中正在分化的造血细胞通过表达腺苷脱氨 酶，消极调控胞外腺苷水平（Mondal et al., 2011）。由于腺苷对更为成熟的细胞来说是一 种增殖信号，成熟的祖细胞就有效地限制了更多自身细胞的产生。在哺乳动物中，一些毛 发干细胞的K6+ 子代细胞通过表达BMP6和FGF18，成为了干细胞功能的消极调控者（Hsu et al.,2011），因此限制了干细胞产物的活性。 还有证据表明祖细胞分化的选择受干细胞调控。举例来说，在果蝇中，中肠的小肠干 细胞有区别地表达小泡Delta（ vesicular Delta），以影响相应的肠上皮细胞和肠内分泌细胞 的产生（Ohlstein and Sprading, 2007）。 因此有理由认为，祖细胞调控对适当位置的细胞，对一个局限化的龛也有反应。在某 些环境下已经展示了这一点，包括哺乳动物的造血过程。在小鼠骨髓中，已经通过标志物 （比如神经巢蛋白属中间微丝Nestin，瘦素RLeptinR，PRX1，以及CXCL12）鉴别除了相 当数量的脉管周围间质细胞（Ding et al.,2012; Greenbaum et al.,2013; Mendez-Ferrer et al.,2010; Sugiyama et al.,2006）。这些标志物没有哪种是完全特异性的，要研究定义所有标 记物对细胞定义所起的作用是有限制的，但这一群体没有表现出完全的重叠性（None of these markers are entirely specific and studies defining the role of cells defined by them all have limitations, but it does not appear that the populations are entirely overlapping）（Kunisaki et al.,2013）。细胞身份的异质性超过了标志物对细胞进行定义的异质性，因为细胞有着不同 的功能。举例来说，Nestin-GFP high的细胞表现出紧密相邻聚集，以调控静止的 HSC（Kunisaki et al.,2013）。表达高水平kit ligand的LepR+ 细胞被发现在维持HSC数量上起关 键作用。Nestin-Cre细胞表达kit ligand的水平没有LepR+细胞报道的那么高，删除kit ligand的 Nestin-Cre细胞对HSC数量的影响甚小（Ding et al.,2012）。其它表达提示骨谱系特化标志物 的细胞，表现出与调控造血细胞更有关系，而不是调控干细胞。事实上，在动物中，从那 些受collagen1.1 2.3kb启动子（在成骨细胞中有活性）控制，表达 Cre重组酶的细胞中删除掉 CXCL12后，在SDF1-/-中的HSC功能，与杂合CXCL12-/+ 动物中的 HSC功能没有区别（Ding and Morrison, 2013）。甚至不如说，淋巴细胞是最受影响的。 然后，对祖细胞