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为什么生殖细胞能够永生? 精选

已有 24548 次阅读 2014-5-10 16:51 |系统分类:科普集锦

为什么生殖细胞能够永生?

 

      长生不老是人类自古以来的愿望。从古代人们寻求“长生不老药”到现代对衰老机制的研究,无不反映了这种愿望。而现实情况是,所有的多细胞生物都是有寿命的,而且寿命长短和生物的物种有关。过去认为寿命最短的动物要算蜉蝣,这是一种带翅膀的昆虫,变为成虫后一般只能活几天,短的甚至只有几个小时,可谓“朝生暮死”。其实蜉蝣的幼虫在水中可以活20天左右,所以蜉蝣的寿命(从卵孵化算起)有20多天,和苍蝇蚊子的寿命差不多。寿命最长的动物包括乌龟和鹦鹉,它们都能活100年以上。北极蛤可以活500岁。植物的寿命更长,非洲的龙血树,美洲的红杉,都可以活千年以上。但是无论生物体的寿命有多长,都是有限的。所有多细胞生物的生物体都要经历出生、生长、衰老、死亡的阶段。

 

      而且多细胞生物体的寿命比起生命在地球上的历史(大约40亿年)来,那就太短了。作为物种,许多生物的寿命是无限的。例如蓝绿藻是地球上最早出现的生物之一,至今仍在地球上繁衍。昆虫已经在地球上生活了数亿年的时间,现在仍然是地球上物种最多的生物。就是人类,作为物种也已经生存了大约100万年的时间,而且在可以预见的将来还会继续生存下去。生物的生命是靠生殖细胞传下来的。根据细胞理论,新的细胞只能从已经有的细胞分裂而来,所以对于许多具有无限生命的物种,就要求生殖细胞连续地从一代生物繁衍到下一代生物,永不间断。从这个意义上说,生殖细胞的寿命是无限的。我们每个人的身体里面,都有几十亿年前那个最初的细胞连续不断分裂产生的后代。

 

      现在我们对于生物衰老机制的研究,其实是对体细胞(组成身体的细胞)衰老机制的研究,因为这才是决定一个生物体能够活多久的原因。对于衰老的机制已经有众多的理论,例如“磨损理论”、“游离基理论”、“端粒酶理论”、“基因决定论”等。但是所有这些理论都必须解释,为什么这些机制只影响体细胞,而不影响生殖细胞。例如妇女的卵细胞是她还在她母亲子宫内的时候就形成了的,在妇女性成熟之前在身体内要待上十几年至几十年。男性的生殖能力可以延续到老年,精原细胞在体内待的时间更长。即使影响体细胞的因素只是轻微地影响到生殖细胞,逐代积累起来,也会最后导致物种的灭绝。例如人类从出现到现在,已经有大约100万年的时间。如果每传一代需要20年的时间,那人类就已经传了5万代。即使每一代生殖细胞所受环境的影响只减少每一代人一天的寿命,那么人类也不应该存活到今天(人活到100岁也就是365百天)。人类如此,那些活了几十亿年的蓝绿藻就更是如此了。

 

      当然这不是说生殖细胞就不会老化和死亡。例如妇女过了40岁,卵子中DNA的突变率就会显著增加。没有生殖能力和生殖机会的个体死亡时,这个生物体所含的生殖细胞也会死亡。但是只要在自然的生育年龄内,总会有许多个体能够形成健康的后代,其寿命永远不会随着代数的增加而减少。每一代都能够真正地“从零开始”。也就是说,生殖细胞有能力把环境带来的不利影响完全消除掉,不留一丝一毫给下一代,否则物种就会凋亡。这就和体细胞的情况形成鲜明对比。对于体细胞,无论身体如何努力来防止和修复外界因素造成的伤害,人类还用各种医学手段来对抗这些伤害,它们也终将老化死亡。但是生殖细胞也是细胞,含有和体细胞同样的基因。生殖细胞维持自己长生不老的“武器”,理论上体细胞也能够具有。是什么原因使生殖细胞和体细胞有如此巨大的差异呢?

 

      1881年,德国生物学家奥古斯特·魏斯曼(August Weismann1834-1914)提出了“种质论”(Germ plasm theory)。他认为生物体内的细胞分为生殖细胞(germplasm)和体细胞(somaplasm)。生殖细胞的寿命是无限的,体细胞由生殖细胞衍生而来,任务就是把生殖细胞的生命传给下一代,然后死亡。在生殖细胞分裂发育成为生物体时,总是会“留出”一些细胞继续作为生殖细胞,同时分化出体细胞来“照顾”生殖细胞,并且让生殖细胞把生命传给后代。也就是说,我们的身体只是生殖细胞的载具,只能使用一次,使用完就被丢弃了,只有生殖细胞代表连续不断的生命。这是任何多细胞生物体都会衰老死亡的根本原因。直到今天,魏斯曼的基本思想还是被许多科学家认为是正确的。从魏斯曼提出这个思想到现在,已经过去了130多年,人类对于生物发育和衰老机制的研究已经获得了大量的结果,可以比较具体地来讨论生殖细胞为何与体细胞如此不同。

 

微生物“永保青春”的方法:“垃圾桶理论”?

 

      我们前面谈的生物的寿命,是指多细胞生物的寿命。单细胞生物没有体细胞和生殖细胞之分,或者说单细胞生物自己就是生殖细胞,所以应该是“永生”的。细菌一分为二,酵母出芽繁殖,它们的生命都在后代细胞中延续。许多细菌从产生到现在,已经生存了几十亿年,可以证明单细胞生物的确是永生的。但是仔细观察单细胞生物,就会发现它们之中有的个体也会显现出衰老的迹象,比如生长变慢,死亡率增加,最后失去繁殖能力并且死亡。是什么机制使得一些单细胞生物的个体持续分裂下去,另一些个体却衰老死亡呢?

 

      在这里,面包酵母(Baker’s yeast Saccharomyces cerevisiae)提供了一个有趣的例子。面包酵母出芽形成的新酵母菌比“母体”小,所以这种酵母的细胞分裂是“不对称分裂”。这种不对称性不仅表现在细胞大小上,而且有更深刻的内容。“母体”细胞继承了原来细胞的损伤,例如羰基化的蛋白质、被氧化的蛋白质、和染色体外的环状DNA。母体细胞只能再分裂25次左右,就衰老死亡。而新生的酵母却没有这些受损的成分,能够活跃地分裂繁殖。所以酵母作为一个物种,是靠新生酵母把生命传下去的。“母体”酵母就像一个“垃圾桶”,自己收集细胞所受的损伤,而不把这些损伤传给下一代。

 

      大肠杆菌(Escherichia coli)的分裂看上去是对称的,两个“子”细胞在大小形状上没有差别,那么大肠杆菌的生命又是靠什么细胞传递下去呢?为了研究这个问题,法国科学家跟踪了94个细菌的菌落中细胞分裂的情况,一共跟踪到35,049个最后形成的细菌。跟踪的结果表明,这种对称只是表面上的。大肠杆菌是杆状的,所以有两“极”(相当于杆的两端)。细胞分裂时,在分裂处会形成新的极,这样每个细胞都有一个上一代细胞的极(老极)和新形成的极(新极)。细胞再分裂时,就会有一个“子”细胞含有老极,一个“子”细胞含有新极。所以这两个细胞是不一样的。研究发现,总是继承上一代老极的细胞就像酵母菌的“母体”细胞那样,生长变慢、分裂周期加长、死亡率增加。而总是继承上一代新极的“子”细胞则一直保持活力。所以大肠杆菌分裂时,也有一个“子”细胞成为“垃圾桶”,继承细胞的损伤,以便使另一个“子”细胞“从零开始”。这个想法也得到实验证据的支持,例如许多变性的蛋白质会结合在热休克蛋白上,用荧光标记的热休克蛋白IbpA表明,变性蛋白的聚结物确实存在于含老极的细胞中。

 

      除了受到损伤的蛋白质,脂肪酸也可以被氧化。但是细胞膜的流动和代谢是比较缓慢的,在单细胞生物迅速分裂的情况下(一般几十分钟分裂一次),受到损伤的成分常常被保留在“母体”细胞中(例如酵母的分裂),或者和老极相连(例如大肠杆菌的分裂)。变性蛋白质的聚结物在细胞中扩散很慢,也容易留在上一代的细胞中。这些结果说明,“垃圾桶”理论还是有一些道理的。不过这就要求“垃圾桶”能够把“垃圾”全部收集光,不留给新细胞。细胞是如何做到这一点的,或者是否能够做到这一点,还是未知数。

 

      有趣的是纤毛虫(Ciliate)。这是一类单细胞的原生动物,以细胞上有纤毛而得名。草履虫就是纤毛虫的一种。纤毛虫有两个细胞核。比较小的细胞核和高等动物一样,是2倍体的(含有两份遗传物质)。它不管细胞的代谢,只管生殖。纤毛虫还有一个比较大的细胞核,由小细胞核复制自己和修饰而成。它是多倍体(含有多份遗传物质),负责细胞的日常生活。这相当于在同一个细胞中既有体细胞(以大核为标志),又有生殖细胞(以小核为标志)。在繁殖时,负责生殖的小核传给下一代,而负责代谢的大核则被丢弃。分裂时小核代表将生命传下去的生殖细胞,然后在新细胞中再由小核形成大核。而原来的大核则代表被丢弃的体细胞。这也和“垃圾桶理论”相符。

 

      “垃圾桶理论”也可以通过另一种方式实现,即细胞不是固定地把受到损伤的成分留在老细胞里,而是通过随机的过程进入任意一个“子”细胞中。“裂殖酵母”(fission yeastSchizosaccharomyces pombe)不是靠出芽繁殖,而是进行对称分裂。在不利的条件下,变性的蛋白质会形成单个聚结物。细胞分裂时,这个聚结物会随机地进入其中一个“子”细胞。获得了聚结物的细胞就显现出老化的迹象,而没有继承到聚结物的细胞则保持青春活力。

 

多细胞生物保持生殖细胞不老的机制

 

      多细胞生物中生殖细胞“长生不老”的机制很难研究,因为生殖细胞和体细胞存在于同一个生物体中,所以很难把体细胞的衰老和生殖细胞的衰老分开。生物个体的寿命反映的主要是体细胞衰老的情况,而生殖细胞的衰老不一定直接反映在生物个体的寿命上,而是把生命传下去的能力,这就需要很多代的数据积累。由于许多动物个体的总体寿命大大超过生育寿命,个体之间生育寿命的差别也很大,生殖细胞的衰老也很难从生殖寿命的缩短看出来。

 

线虫(Caenorhabditis elegans)是研究这个问题比较好的材料,因为线虫的繁殖周期很短,只有3.5天,所以几个月内就能观察几十代。相比之下果蝇的繁殖周期约为11天,小鼠为两个月左右。而且线虫是自我受精的,不需要交配就能繁殖后代。科学家用甲基磺酸乙酯(EMS)在线虫的DNA中引起突变,再选择那些繁殖在若干代后终止的突变型。结果发现能够影响端粒复制的突变mrt2、与DNA双链断裂修复有关的突变mre-11,都能够使线虫的繁殖在数代以后终止,说明未被突变破坏的这两个机制都是生殖细胞的永生所需要的。

 

端粒位于染色体的末端,本身也是DNA的序列,由许多重复单位构成。它就像鞋带两端的鞋带扣,没有它鞋带里面的线就会松开。由于DNA复制过程的特点,DNA每复制一次,端粒就会缩短一点。如果端粒不被修复,DNA复制若干次后,端粒就短到不再能够保持DNA完整的程度。这就是为什么人的成纤维细胞在体外只能分裂50来次就停止分裂并且死亡,因为这种细胞不能修复端粒。如果生殖细胞也是这种情形,生殖细胞也就不成为生殖细胞了。幸运的是,生殖细胞能够生产“端粒酶”来修复受损的端粒。一种理论认为,许多体细胞没有端粒酶的活性,是为了防止它们像癌细胞那样无节制地繁殖。而许多癌细胞由于像生殖细胞那样具有端粒酶的活性,所以能够无限制地繁殖。但是在通过出芽繁殖的面包酵母中,继承细胞损伤的“母体”细胞的端粒在细胞分裂时并不缩短,说明端粒酶活性缺失并不是“母体”细胞老化的原因。同样,DNA双链断裂的修复也是为体细胞的生存所需要的,体细胞也有这样的修复机制,所以这种机制也不大可能是生殖细胞永生的原因。

 

      1987年,英国科学家托马斯·科克伍德(Thomas Kirkwood1951年出生)提出了生殖细胞永生的三种机制:1,生殖细胞比体细胞有更强大的维持和修复机制;2,生殖细胞特有的,使自己恢复青春的机制;3,只让健康的生殖细胞存活的选择机制。这几种机制都得到一些实验结果的支持。

 

      为了检验细胞的修复机制,科学家把外来基因转入小鼠的各种细胞中,包括小脑和前脑的细胞、胸腺细胞、肝细胞、脂肪细胞、和生殖细胞,再比较在这些细胞中外来基因DNA的突变率。结果发现在生殖细胞中,DNA的突变率最低。用动物自身基因的实验也得到了同样的结果。另一个办法是人为地在小鼠的DNA中引起突变,再看不同细胞修复的情况,结果也是生殖细胞的修复能力最高。

 

      生殖细胞特有的恢复青春的机制包括前面提到的不对称分裂以使老的细胞继承细胞损伤的产物,就像出芽酵母和大肠杆菌的情形那样。人在生成卵细胞时,两次减数分裂形成的4个细胞中,只有一个成为卵细胞,其它3个都变成“极体细胞”而退化,而不是4个细胞都成为卵细胞。这种“浪费”的做法也许就是把受损产物都集中到极体细胞中去,让卵细胞“全新开始”。恢复青春的机制还包括“外遗传修饰”(epigenetic modification)的重新设定,包括DNA的甲基化和组蛋白的乙酰化。它们不改变DNA的序列,但是可以影响基因表达的状况。生殖细胞和受精卵里面的外遗传修饰都是经过大规模改变的。

 

      生殖细胞的选择机制看来也存在。例如果蝇的卵子在形成的过程中,会有几波细胞的程序性死亡(apoptosis)。小鼠的精子在形成过程中,也有几波细胞程序性死亡。这些程序性死亡的目的可能是淘汰那些受损的生殖细胞。精子的选择也在受精过程中进行。几亿个进入阴道的精子中,只有一个能够与卵子结合。

 

      这些机制看来都对维持生殖细胞的青春有作用,问题是它们是否足够。生殖细胞的修复机制的确比体细胞高,但是如果修复的效率不是百分之百,损伤还是可能积累。极体细胞也许可以收集受到损伤的细胞产物,但是这种收集也许并不彻底。选择性机制能够淘汰那些有明显损伤的生殖细胞,但是也不一定能够防止被挑选的生殖细胞积累损伤。所以科克伍德的假说也许还不足以完全解释生殖细胞的永生能力。

 

现代克隆动物实验的启示

 

      近年来人类克隆动物的重大突破,就是让体细胞重新成为有无限繁殖能力的生殖细胞。把体细胞的细胞核放到去核的卵细胞内,就能够形成胚胎,发育成动物。不用体细胞的细胞核,而是把整个体细胞和去核卵细胞融合,也可以形成胚胎。克隆羊“多利”就是这样产生的。体细胞本来是有寿命的,但是卵细胞的细胞质似乎有一种力量,能够把加在体细胞上面的寿命限制解除,体细胞变成了永生的。这说明体细胞的命运是可逆的。成年动物的体细胞肯定已经积累了相当数量的受损物质,可是这些物质似乎并不影响体细胞获得永生的能力。卵细胞的细胞质中似乎有一种“青春因子”,可以使时钟倒转,让体细胞变回生殖细胞,而不管它已经受了多少损伤。

 

      但是这种有关“青春因子”的想法被“诱导干细胞”技术否定了。把几种“转录因子”(控制基因开关的蛋白质)转移到体细胞中去,就可以把体细胞变成类似生殖细胞的“干细胞”(能够分化成其它类型细胞的细胞),而不再依靠卵细胞的细胞质。2009年,中国科学院动物研究所的周琪和上海交通大学医学院的曾凡一合作,从一只雄性黑色小鼠的身上取下一些皮肤细胞,用转录因子诱导的方法,得到了诱导干细胞。他们把诱导干细胞放到“4倍体”的胚胎细胞之间,植入小鼠的子宫内,成功地培培育出了一只活的小鼠,取名“小小”。“小小”还有繁殖能力,已经成功地产生了几代小鼠。在这个过程中没有使用卵细胞的细胞质,而4倍体的胚胎细胞也只发育成胎盘,并不参与胚胎自身的发育。所以这只克隆鼠完全是由当初的一个体细胞产生的,并不需要卵细胞细胞质中假想的“青春因子”。

 

      当然克隆动物繁殖的代数还有限,还有许多克隆动物生下来就有各种缺陷和疾病,甚至早夭。这些缺陷也许是由于克隆过程本身造成的损伤,或者外遗传状态重新设定得不彻底,但是不能说明这样形成的生殖细胞就不能永生。克隆鼠“小小”能够繁殖数代,每代看上去都很健康,似乎证实了这个想法。如果克隆动物和普通动物一样,能够无限代地繁殖,就能最终证明体细胞和生殖细胞之间的界限是可以打破的,永生的能力也不是生殖细胞所特有的。

 

      既然体细胞可以转化成生殖细胞,也不需要什么“青春因子”,生殖细胞永生的机制,有可能就是DNA外遗传修饰的形式。卵细胞的细胞质的作用,转录因子对体细胞的诱导,也许都是重新设定这些外遗传修饰。但是细菌没有组蛋白,自然也不会有组蛋白的乙酰化,生殖细胞却一直能传到现在,说明生殖细胞保持永生的能力几十亿年前就发展出来了。也许我们还在使用这样的机制(如“垃圾桶机制”),也许我们有了新的机制(如外遗传修饰),也许多种机制都在使用,也许不同的生物使用不同的机制。问题核心还是生殖细胞如何完全消除细胞不可避免的受到的损伤。我们在这里谈的细胞损伤,主要是指DNA序列以外分子层面上的,例如蛋白质的变性、脂肪酸的氧化,分子之间的交联等等。这些是体细胞衰老的重要原因,它们最终导致体细胞的死亡。同样的损伤在生殖细胞中也会发生。即使是那些精挑细选出来的生殖细胞,也要经受体细胞所经受的各种袭击,而在亿万年的时间里,所有这些袭击的负面作用都被生殖细胞消除得干干净净,不留下任何痕迹。这真是一个奇迹。

 

      DNA序列的变化,包括修复以后的碱基变化,则会在后代中通过自然选择的机制加以强化或淘汰。这和细胞里面其它分子的损伤导致的细胞本身老化不是一回事。

 

干细胞和生殖细胞的关系

 

      孢子和受精卵都可以变成多细胞生物体内所有类型的细胞,所以是最初的干细胞。它们像树干一样,不断分支(相当于细胞分化),最后形成一颗大树。在胚胎发育的过程中,桑葚期的胚胎(由受精卵分裂形成的实心的细胞团)里面的每一个细胞都有发育成一个完整生物体的能力,所以和受精卵一样,是全能的干细胞。畜牧业者曾经使用桑葚期胚胎分割法,把桑葚胚分为几部分,分别植入子宫,就能从一个胚胎得到多个动物。到了囊胚期,胚胎发育成一个空泡。泡壁上的细胞后来发育成为胎盘,而囊泡内部的一团细胞则发育成为动物。这团细胞中的每一个都能够形成生物体内所有类型的细胞,所以也是全能干细胞,叫做“胚胎干细胞”。但是它们不能形成胎盘,所以不能被单独植入子宫,发育成为动物。

 

      生物发育成为成体后,按理说不应该有干细胞了,因为所有类型的体细胞都已经有了。但是成体动物体内和各种组织中,还存在干细胞,叫做“成体干细胞”。这是因为许多体细胞的寿命远比生物体总体的寿命短,所以需要不断的补充。例如小肠绒毛细胞就只能活23天。我们的血细胞(例如红血球和白血球)的寿命也很短,需要连续不断的补充。干细胞就能够不断分裂,分化成为需要替补的细胞。干细胞在分裂时,也是进行不对称分裂,一个“子”细胞仍然是干细胞,另一个“子”细胞继续繁殖分化成为需要替补的细胞。

 

      干细胞的寿命至少和整个生物体的寿命一样长,这样才能保证人一生替补细胞的需要。它们也不像许多体细胞那样,寿命短于生物体的整体寿命。只要生物体活着,干细胞就能一直活着。从这个意义上讲,干细胞也是长寿的。干细胞是从受精卵分裂而来,而且和受精卵一样,是未分化细胞。干细胞在分化时,也进行不对称分裂,以保持自己的“真身”,另一个“子”细胞才是最终要被丢弃的体细胞。所以干细胞在性质上和受精卵非常相似,可以看成是受精卵的延伸,而不是体细胞。和生殖细胞不同的是,干细胞只能在生物体中存在一代,而不能被传到下一代生物体中去。

 

小结

 

生殖细胞和体细胞最大的区别是,生殖细胞是永生的,可以在生物繁殖的过程中无限制地传递下去,而体细胞只是生殖细胞的载具,只能使用一次,然后就被丢弃。干细胞则是生殖细胞的延伸。科学研究的进展已经打破了生殖细胞和体细胞的界限,体细胞也可以变成生殖细胞。但是由于研究方法的限制,目前我们基本上还是用体细胞老化的思路来思考生殖细胞。生殖细胞是如何完全清除环境因素的负面影响,永葆青春的,现在还是一个谜。但是人类的好奇心和对健康长寿的追求,会一步一步地向解开这个谜的方向前进。

 

虽然从生物学的观点来看,体细胞只是生殖细胞的载具,但是生命的精彩却由体细胞表现出来。我们的眼睛能够看见的多彩多姿的生命世界,其实都是体细胞的世界。是体细胞“代替”生殖细胞进行的生存竞争导致了越来越复杂的体细胞组合(生物体),人类的体细胞更是意识、智慧、感情、和高级思维的基础。所以我们不必对自己只是生殖细胞的载具而感到沮丧。只有我们这些由体细胞组成的人体才能有如此丰富多彩的生活,才能对这个世界进行主动的研究,包括反过来研究延续我们生命的生殖细胞。

 

参考文献

 

1、 Stewart EJ, Madden R, Paul G, Taddei F, Aging and death in an organism that reproduce by morphologically symmetric division. PlOS Biology, 2005, 3(2), e45.

2、 Linder AB, Madden R, Demarez A, Steward EJ, Taddei F, Asymmetric segregation of protein aggregates is associated with cellular aging and rejuvenation. Proc Natl Acad Sci USA, 2008, 105(8):3076-3081.

3Aguilaniu H1, Gustafsson L, Rigoulet M, Nyström T. Asymmetric inheritance of oxidatively damaged proteins during cytokinesis.  Science. 2003299(5613):1751-3.

4Matsui Y. Developmental fates of the mouse germ line. Int J Dev Biol, 1998, 42(7):1037-42.

5Buszczak M1, Cooley L. Eggs to die for: cell death during Drosophila oogenesis, Cell Death Differ. 2000, 7(11):1071-4.

 

 

 

 



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