來源：干就有未來

干細胞是一類具有自我更新和多向分化能力的細胞，在適宜條件下能夠分化成特定譜系細胞群，進而形成不同的組織和器官。因此，干細胞療法在再生醫學領域具有極大的應用前景。干細胞按照來源主要分為胚胎干細胞（embryonic stem cell，ESC）和成體干細胞（adult stem cell，ASC）。ESC能夠分化成人體幾乎所有組織和細胞。而ASC是組織特異性干細胞，只能分化為所在組織的多種細胞類型。誘導多能干細胞（induced pluripotent stem cell，iPSC）是從成體細胞重新編程為類似ESC的細胞。干細胞能促進發育并維持機體穩態，而異常的自我更新和分化則可導致人體疾病發生，例如惡性腫瘤。干細胞的分化過程是由多種信號傳導通路精細調控的動態事件，包括干細胞的內源性信號調控通路，干細胞與微環境之間的相互作用，以及表觀遺傳調控網絡等。這些通路在維持干細胞多能性、自我更新及響應環境變化等方面發揮著至關重要的作用，共同決定了干細胞的命運抉擇。

一、影響干細胞分化的內源性信號通路
干細胞分化是一個復雜的過程， Wnt、Notch、TGF-β和JAK/STAT等信號通路共同參與調控，這些通路相互影響，高度協作，精確調節干細胞的命運。

1. Wnt信號通路
Wnt蛋白與細胞表面的Frizzled家族受體和低密度脂蛋白受體相關蛋白（LRP）5或6結合，激活下游多蛋白復合體的解聚，進而抑制GSK-3β對β-catenin的磷酸化，促使β-catenin在胞漿內積聚并入核與TCF/LEF家族轉錄因子結合，最終激活下游靶基因表達，從而影響細胞增殖、分化和凋亡。這一信號通路對維持干細胞功能也十分重要。在MSC中， 低水平的Wnt信號能夠維持其自我更新和多能性，而高水平Wnt信號則促進成骨分化。Wnt信號對ESC向中內胚層分化起關鍵作用。Wnt信號的激活還可以促進小鼠肺泡Ⅱ型（AT2）干細胞的增殖，這對肺上皮損傷修復具有潛在的治療意義。此外，Wnt/β-catenin信號通路的異常激活與腫瘤發生密切相關，如在三陰性乳腺癌中，Wnt信號與腫瘤干細胞（cancer stem cell，CSC）的激活和多藥耐藥性密切相關。

2. Notch信號通路
Notch信號通路是在進化上高度保守的細胞間通信機制。相鄰細胞表面的Notch配體與受體結合后觸發Notch信號的活化，引發蛋白水解反應，生成有活性的Notch細胞內域（Notch-ICD），并進一步轉移到細胞核，結合效應蛋白和轉錄激活蛋白，從而調控靶基因表達。Notch信號通路對于維持干細胞的自我更新及多能性狀態具有重要意義。例如，在造血干細胞和神經干細胞中，Notch信號是維持干細胞特性的關鍵因素。在癌癥發生中，Notch信號通路的失調會促進腫瘤細胞的增殖、轉移和血管生成，并對CSC的自我更新和藥物抗性也起著決定性作用。

3. TGF-β信號通路
轉化生長因子β（TGF-β）超家族主要通過其成員骨形態發生蛋白（BMPs）和TGF-β等調控胚胎發育、組織發展及干細胞命運。當TGF-β配體結合到其Ⅱ型受體上，并促使其磷酸化Ⅰ型受體，進而激活下游的轉錄因子Smad蛋白形成轉錄因子復合物入核，與其他輔助因子相互作用，激活或抑制靶基因轉錄。TGF-β信號通路在干細胞中的作用較為復雜。TGF-β/activin信號通路在人胚胎干細胞（hESC）的多能性維持中扮演著重要角色，但是對小鼠胚胎干細胞（mESC）的多能性卻沒有影響。此外，筆者所在課題組曾報道p53家族因子可以協同調控TGF-β和Wnt信號通路共同促進mESC向中內胚層分化。并且，筆者所在課題組最近又發現TGF-β信號通路可以在不依賴Smad4的情況下，通過活化的Smad2/3促進DNA甲基轉移酶3b（Dnmt3b）的表達，并與其互作，共同促進多能性mESC向始發態上胚層進行轉變。在ASC中，TGF-β家族信號通過自分泌或微環境中的蛋白因子維持干細胞特性。例如， 靜止期的毛囊干細胞通過TGF-β信號被激活以進行再生。此外，TGF-β誘導的上皮-間充質轉化在乳腺癌和正常乳腺干細胞的干性獲得中起著關鍵作用。

4. JAK/STAT信號通路
JAK/STAT通路由多種細胞因子和生長因子激活，通過JAK蛋白的磷酸化激活STAT蛋白，進而促進STAT蛋白二聚體的形成和核內轉移，調控特定基因表達。在果蠅中，JAK/STAT信號通過Upd1、Upd2和Upd3等配體激活，影響干細胞的增殖和維持。在哺乳動物中，該通路的激活對干細胞的自我更新和多能性至關重要。JAK/STAT通路在調控干細胞行為中的作用不僅限于單一通路，而是與其他信號通路如Notch、Hippo、Insulin和TOR等存在互作，共同調節干細胞分化和組織再生等行為。此外，JAK/STAT通路的異常激活與多種疾病有關，包括免疫介導的疾病和癌癥。在CSC中，JAK/STAT通路的激活促進ZEB1/2表達，后者通過抑制miRNAs表達，上調干細胞因子表達，促進了CSC的上皮-間質轉化和轉移。

二、細胞外環境對干細胞分化的影響
體內干細胞周圍的特定動態微環境稱為干細胞微環境，它對于維持干細胞的自我更新和多向分化潛能起著重要作用。干細胞和微環境可以在發育過程中相互誘導，并在成年后相互發出信號以維持彼此。在胚胎發育過程中，微環境作用于ESC，改變其基因表達，誘導其增殖或分化，從而促進胎兒的發育。在人體內，干細胞微環境能使ASC保持靜止狀態，但在組織損傷后，微環境會主動向ASC發出信號，促進自我更新或分化形成新組織。

在微環境中，多種因素直接參與了干細胞的功能調控，包括干細胞間的相互作用、干細胞與鄰近分化細胞或黏附細胞間的相互作用、細胞外基質成分（extracellular matrix，ECM）、生長因子、細胞因子、氧張力、剪切力和環境的理化性質（包括pH值、離子強度和代謝物）等（圖1）。例如，ECM通過調節其組成成分的產生、降解和重塑，對特定器官發育和功能修復發揮作用。微環境內的信號傳遞對維持干細胞功能和自我更新至關重要。分泌因子不僅可以在局部1～2個細胞間發揮作用，也可以在整個微環境中擴散以指導干細胞命運。此外，細胞黏附分子可以將干細胞保留在微環境中，而且干細胞與微環境的細胞或ECM成分直接相互作用產生的機械力，也可以對干細胞的功能產生深遠影響。

圖1 干細胞微環境的關鍵組成部分

三、干細胞分化的表觀遺傳調控
表觀遺傳調控包括DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA和染色質重塑等調控機制能夠從多維度影響干細胞的命運和功能（圖2）。

圖2 表觀遺傳調控

1. DNA甲基化
DNA甲基化主要發生在CpG位點上，通過在DNA分子胞嘧啶的5'位置添加甲基基團來調控基因表達。這一修飾將直接抑制轉錄因子與甲基化DNA結合，或者需要招募改變甲基化區域染色質構象的染色質修飾酶來調控基因表達。此外，DNA甲基化參與異染色質的形成和維持，這對于沉默重復元素和維持干細胞中的基因組穩定性至關重要。這種修飾在調控基因表達、細胞命運決定、X染色體失活、基因印記及轉座子沉默等方面發揮著重要作用。DNA甲基化模式是動態調控的，可以通過TET家族酶的活性被逆轉，這些酶將5-mC氧化為5-hmC，啟動主動去甲基化過程。ESC具有獨特的甲基化景觀，它在早期胚胎發育期間發生全局性去甲基化，隨后與細胞分化同步建立新的甲基化標記，從而沉默多能性因子并促進分化因子的表達。在mESC向上胚層樣細胞（EpiLC）轉變的過程中，Dnmt3b的表達顯著上調。一方面，Dnmt3b通過抑制多能性因子例如Sox2的表達來促進mESC多能性的逐步退出；另一方面，Dnmt3b結合上胚層基因包括Fgf5的順式作用元件周圍，促進Smad2/3與低甲基化中心結合，激活上胚層特異性基因的表達。此外，DNA去甲基化是體細胞重編程為iPSC的關鍵事件，使用DNA去甲基化劑，如5-氮雜胞嘧啶，可以提高重編程效率，為理解細胞命運的可逆性開辟了新途徑。

2. 組蛋白修飾
組蛋白修飾指在組蛋白的氨基酸殘基上進行的諸如甲基化、乙酰化、泛素化及巴豆酰化等一系列修飾，不同修飾組合對于靶基因的表達及功能的影響各不相同，進而影響干細胞的命運。在ESC和iPSC的譜系基因的啟動子區域，組蛋白H3第4位（H3K4）和第27位（H3K27）的賴氨酸能在組蛋白甲基化轉移酶的催化下發生三甲基化修飾。它們所形成的二價標記能維持基因在轉錄激活和抑制之間的平衡，保持蓄勢待發的狀態（poised）。在神經干細胞和iPSC中，去除H3K27me3能促進神經分化，而去除H3K9me3則能維持神經干細胞的自我更新和增殖。在精原干細胞中，H3K4的去甲基化修飾影響其分化過程。在人骨髓間充質干細胞中，H3K9的乙酰化和二甲基化修飾與基因啟動子區域的活性密切相關，參與維持MSC的自我更新和多能性。多梳復合物介導的H2A泛素化（H2Aub）在神經發生潛能受阻時顯著增加。這表明組蛋白修飾在調控神經前體細胞命運中也發揮了重要作用。此外，在CSC中，使用DNA甲基轉移酶抑制劑或組蛋白去乙酰化酶抑制劑，可以抑制CSC活性。

3. 非編碼RNA
非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）是一組在細胞內執行調控功能但不參與蛋白質編碼的RNA分子，根據長度和結構特征主要分為微小RNA（miRNA）、長鏈非編碼RNA（lncRNA）和環狀RNA（circRNA）三類。不同類型的ncRNA通過參與染色質結構改變、細胞信號傳導等過程，在多種干細胞內發揮調控作用。miR-302家族通過靶向細胞周期抑制因子，促進細胞周期進展，維持ESC及iPSC多能性。let-7家族miRNA在多種腫瘤細胞中下調，與CSC的成瘤能力密切相關。而lncRNA，如ROSE1和lincRNA-ROR，在iPSC的生成與維持中扮演關鍵角色。lncRNA還可以調控ASC的分化和組織再生能力。例如，lncRNA通過影響特定miRNA的表達來調控神經干細胞的分化和功能。此外，心臟干細胞中特定的circRNA可以通過海綿化miRNA，參與心臟修復和再生過程。

4. 染色質重塑
染色質重塑是一種細胞內部的動態調控過程，涉及特定蛋白質復合物對染色質結構的調整，以實現對基因表達的宏觀調控。該過程主要包括核小體的重新定位、組蛋白尾部共價修飾及DNA重塑，這些活動共同作用于改變染色質的緊密程度，從而影響轉錄因子及其他染色質結合蛋白對DNA的訪問。此外，染色質重塑還參與細胞對環境信號的響應，通過改變染色質結構，使細胞能夠快速調整其基因表達模式，適應不同的分化需求。染色質重塑對干細胞的多能性、自我更新及分化過程具有深遠影響。例如，染色質解螺旋酶DNA結合蛋白（CHD4）是核小體重塑和脫乙酰酶（NuRD）復合體的亞基，能維持ESC的多能性并抑制分化轉錄因子的表達。在肝細胞癌中，CSC的成瘤能力和化療抗性也與CHD4的表達水平相關。在造血干細胞中，染色體異常如Trisomy 8通過改變染色質結構和RUNX1轉錄因子的功能，影響干細胞的自我更新和分化能力。染色質的三維結構也在干細胞分化中起著關鍵作用，例如拓撲關聯域和增強子與啟動子之間的環狀連接都可以調控基因的表達。這些研究揭示了染色質重塑在干細胞命運決定中的多樣化作用機制，為理解干細胞功能、開發新的治療策略提供了新視角。

四、結語
干細胞分化是一個復雜且多層面的過程，受到細胞外環境、信號通路、表觀遺傳修飾等多種因素的影響。盡管面臨挑戰，隨著科學家對干細胞分化調控網絡的深入理解，其在臨床治療中的應用前景廣闊，未來有望開發出更有效的治療方法，維護人類健康。例如，對干細胞及其生態位的深入理解能促使科研人員開發出各種生態位工程技術，建立人工生態位來調控干細胞命運。通過結合信號轉導、表觀遺傳調控及新興的多組學技術，可以從多維度理解干細胞的發育軌跡和命運調控機制，以及它們在不同生理和病理狀態下的功能，從而充分發揮干細胞治療的潛力。此外如何預防干細胞衰老也是一個極具前景的方向，這對于維持組織穩態和研究器官再生至關重要。