据说人体是由大约270种细胞组成的,即37万亿个细胞。 每个专门的细胞都负责一个复杂的生命现象。 像我们这样的多细胞生物的起源被认为是单个细胞从原始细胞群中逐渐特化并分享功能。

 各种研究揭示了多细胞生物从单细胞生物进化的历史,其依据是这些不同的细胞所拥有的信息。 人们还清楚地看到,专门的细胞也拥有体内的各种信息,而对这些信息的利用为复制,即克隆和多能干细胞指明了方向。

 我们想考虑这些 "细胞 "的各种可能性。

 *本文基于《基因组学新教科书:从DNA探索的最新生命科学介绍》的部分改编版本。

干细胞是起源细胞吗(isei日本干细胞:我们从哪里来)(1)

什么是生命?"

 什么是生命?" 是生物学中的一个基本问题,但也是一个难以直接回答的问题。

 换句话说,指出地球上所有生命的共同属性相对容易,但不清楚所有生命是否真的必须具备这些属性(生命的必要条件)。

 首先,很难想象其他形式的生命,因为我们知道的所有生命都是陆生的,只能认为最初是从一个共同的祖先出现(进化)的。 另一方面,还有一个问题是,即使是地球上的生命,在几乎所有情况下都有例外,这些例外并不像物理定律那样明确。

 生命的这种灵活性质似乎与生命现象的性质有关。

 无论如何,我们所知的所有生命都是由细胞组成的。 在观察像我们这样的多细胞生物时,我们很容易意识到生命的单位是细胞。

 细胞在英语中被称为cell,意思是一个小房间。换句话说,细胞是一个被膜包裹的隔间,通常大到可以在光学显微镜下看到,其中存在生命所需的各种物质。

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细胞更新 "新陈代谢 "是生命现象的一个特点。

 细胞被说成是生命的单位,其中一个主要原因是我们的身体是由各种各样的细胞组成的。

 例如,大脑、血管、肌肉和各种器官是由各种细胞组成的,而血液和淋巴液含有白细胞和淋巴细胞等细胞。

 允许光线通过的眼睛的晶状体和角膜也是由透明细胞组成的,而体毛和指甲则是由其底部的细胞不断产生的。 活细胞也被嵌入骨骼和牙齿中,其内部有由细胞组成的毛细血管,供其生长。

 在骨骼中,有不断制造新骨的成骨细胞,以及溶解骨骼和进行骨骼重塑的破骨细胞,如血管的通过。

 不仅是骨骼,我们的身体在这个过程中也在不断地更新和平衡(新陈代谢)。 这是生命现象的一个显著特征,与机器人等相比,它是非常不同的。

我们从哪里来 - 人类细胞的起源?

 我们的身体是由多少种细胞类型组成的,这是一个困难的问题。

 这是因为应该如何定义细胞类型并不明显。 很久以前,在显微镜下看起来相同的细胞是同一类型的,但逐渐转变为基于基因的定义。 这个想法是通过这个基因和那个基因在这种类型的细胞中具有特征性的使用来定义一种细胞类型。

 然而,直到最近,我们才能够研究个别细胞中使用了哪些基因。

 根据一种理论,我们的身体是由大约270种不同类型的细胞组成的,总数约为37万亿。

 简而言之,我们的身体是由极其大量的专用细胞组成的,每个细胞都负责先进的生命现象。

 然而,无论它们如何专业化,每个细胞都是明确无误的细胞,它们内部进行的生命支持活动与大肠杆菌等单细胞生物的活动大致相同。

 我们的祖先是单细胞生物,他们可能因为首先以几个人的集群存在而享有一些优势,例如相互分享营养。 即使在今天,一些藻类,如Volvox,保持着一个多细胞系统,它们聚集在一起,几乎没有分化,被称为蜂群体。

 像我们这样的多细胞生物的起源被认为是来自这样的原始细胞群的单个细胞逐渐专业化,以分享功能。

每个细胞决定其自身命运的过程

 另一方面,众所周知,我们的身体最初是由一个受精卵形成的。

 在母亲的子宫中开始分裂的受精卵被称为胚胎,起初胚胎的组成细胞具有相同的形状,并且都具有类似的性质。

 然而,随着胚胎继续分裂,首先形成了胚胎外组织,即将来包裹胚胎并维持其生长的细胞,然后在胚胎体内确定了身体的轴线方向,如哪一部分将成为未来的头部,相反的部分则是臀部,而每个位置的细胞相对于轴线的属性也变得 成为独一无二的。

 这是每个最初能够成为任何细胞的细胞决定自己命运的过程,被称为细胞分化。

 从受精卵到成人(成熟个体)的身体构建过程也被称为发育。 由于受精卵的发育过程已被编入程序,该过程在每个人身上都应该是基本相同的。

 事实上,在一些小型的、容易观察的生物体中(如线虫,其整个身体由大约1000个细胞组成),研究人员在显微镜下耐心地跟踪发育过程,并记录了所有细胞的决定命运的途径。

分化的体细胞能否恢复为生殖细胞?

 如上所述,我们的身体是一个受精卵分裂的结果。 很明显,受精卵拥有身体中每个细胞的信息,除非信息是在发育过程中自行产生的。

 然后,分化和逐渐功能专业化的细胞(体细胞,即生殖细胞以外的细胞。 那么,已经分化并逐渐变得功能专门化的细胞呢? 在分化过程中不再需要的信息是否被丢弃? 

 这个问题几乎等同于是否有可能使分化的细胞恢复到原来的未分化状态(称为去分化),对此,答案是肯定的,分化的细胞可以被去分化。

 特别是在植物中,这种去分化是相对容易的,自20世纪30年代以来,人们已经知道,如果分离出任何体细胞,并设定适当的条件,如植物激素和培养基,就有可能产生一个胼胝体,即一团未分化的细胞,整个植物可以从它那里再次再生。

 这意味着每个分化的体细胞都保留了与原始受精卵相同的全身信息。

 以这种方式创造的新个体是原始细胞的基因拷贝,被称为克隆生物体。

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技术上有可能克隆人类!

 另一方面,与植物不同,克隆在动物中是困难的,而且不是很成功,特别是在哺乳动物中。

 由于这个原因,克隆人的话题完全是科幻小说和电影的主题,但最终还是用一种叫做核移植的方法实现了,即用未受精卵的细胞核替换已分化的体细胞核。

 特别是,1997年宣布的克隆羊成为国际新闻。

 读者可能也知道,山中伸弥(Shinya Yamanaka)等人在2006年通过引入四个不同的基因成功地对分化的体细胞进行了重新编程,并恢复了它们的分化多样性(分化成几乎任何细胞的能力),与最初的受精卵相似(Yamanaka (山中在2012年与戈登一起被授予诺贝尔奖,因为他通过核移植初始化了青蛙细胞)。

 同样,受精卵拥有成熟个体的所有细胞类型的信息,但反过来说,成熟个体的单个体细胞与受精卵的信息基本相同。

 就动物而言,特别是哺乳动物,信息本身并没有因为分化而丢失,但可以想象,发生的变化使不必要的信息更难被读取。

 而且,从核移植实验中可以推断出,这些信息在细胞核中,似乎将其放入未受精卵的细胞核中可以消除这些变化。 此外,这些变化似乎涉及一些基因的作用。

 我们所有的体细胞都保留了与受精卵相同的信息,这似乎是没有用的,因为(广泛的)去分化在我们的一生中可能永远不会发生。

 这可能确实反映了我们这些多细胞生物从单细胞生物进化而来的历史环境。

中井 謙太(東京大学医科学研究所ヒトゲノム解析センター教授)

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