莎士比亚笔下的哈姆雷特说：“生存还是毁灭，这是一个值得考虑的问题。默然忍受命运的暴虐毒箭，或是挺身反抗人世间无涯的苦难，通过斗争把它们扫清，这两种行为，哪一种更高贵？” 达尔文也在《物种起源》中提出“物竞天择、适者生存”。在宏观上，生物个体在漫长的进化史中通过竞争留续它们的生命，人类个体在短暂的一生中通过斗争谋取有尊严的生存。那么在微观上，细胞（生命个体最基本的组成单位）之间是否存在竞争，是否也为生存而战？答案是肯定的，早在1975年，西班牙科学家Morata就在果蝇中观察到细胞竞争这一现象【1】。在随后近50年的研究中，科学家们主要以果蝇为研究对象，逐步揭示了细胞竞争的特性、机制和潜在作用【2】。这个领域主流的观点与“物竞天择、适者生存”的理念是一致的，认为细胞竞争是一种自然选择机制，对细胞进行优胜劣汰。最近的研究发现，细胞竞争在高等动物中也存在【3,4】，但是否在所有的器官中都有这个现象还有待研究。在胚胎发育期，高速分裂的细胞很可能为了争夺有限的空间、能量和营养因子而发生激烈的内卷之战。在发育的大脑中，神经干细胞之间是否存在竞争仍未被探索。
2023年4月12日，中国科学院遗传与发育生物学研究所吴青峰课题组在Developmental Cell上在线发表了题为Stem cell competition driven by the Axin2-p53 axis controls brain size during murine development的研究论文，首次报道了神经干细胞之间存在细胞竞争。该团队通过巧妙设计的实验，创新性、系统性地揭示了脑发育过程中神经干细胞竞争的正负调控子、时空属性和分子特征；并探索了细胞竞争对脑器官大小的调控作用。
在脑发育过程中，神经干细胞密集地分布在脑室区，通过高速对称性分裂扩增干细胞库，再分化产生子代细胞——神经元和胶质细胞（图一）。在自然界里，丛林法则是普遍规律，通过生存竞争消灭其他竞争者以求得生存。在这个丛林样分布的神经干细胞群里，细胞竞争是否存在、如何发生、如何塑造脑发育？
图一：神经干细胞的形态、分布与神经发生 （图片来源：网络图片修改）
为了解答这些有趣的科学问题，吴青峰团队的研究人员利用双色嵌合标记原理开发了新的嵌合体标记和追踪系统。使用这个方法体系，他们可以在胚胎鼠大脑中诱导出基因嵌合体，不同基因型的神经干细胞可表达红色、绿色和黄色荧光蛋白，其中相邻的红色和绿色细胞因来源于同一母细胞的分裂而互为姐妹干细胞。经过短期和长期的谱系追踪后，携带不同基因型、散发不同荧光色的神经干细胞展示出了不同的命运，有的干细胞发生了明显的克隆性扩增，有的干细胞则走向了凋亡，甚至被临近的细胞吞噬（图二）。在显微镜下，细胞生存与毁灭的竞争景象是如此生动；三国时期的词句“本是同根生，相煎何太急”也跃然于电脑屏幕。研究人员又进一步鉴定出两个可驱动神经干细胞竞争的因子——Axin2和p53。Axin2缺失的干细胞在嵌合体环境中会被清除掉，成为失败者细胞；而p53突变的干细胞在嵌合体环境中发生显著的扩增，成为优胜者细胞。
图二：基因嵌合体环境下的神经干细胞竞争（图片来源：原文链接）
绿色细胞1为优胜者干细胞，红色细胞2和3为失败者干细胞，细胞2走向了凋亡的命运，细胞3则被临近细胞吞噬（entosis）。
研究人员又利用基因嵌合体深入解析了Axin2介导的神经干细胞竞争的时空属性和分子机制：不仅揭示了大脑皮层中干细胞竞争与Wnt在空间上的浓度梯度存在相关性，而且发现Axin2可通过调控p53蛋白的稳定性进而介导细胞竞争。
如果说使用基因嵌合体诱导技术解析干细胞竞争存在一定程度的人为因素，那么进一步探索天然发生的内源性现象则是揭秘干细胞竞争的关键。吴青峰团队历时4年收集了1000多个小鼠大脑对神经干细胞进行短期和长期的克隆分析，最终发现神经干细胞群与自然界中的生物个体相同，也存在社会等级。位于金字塔顶端的10%神经干细胞最终产生了30-40%的大脑神经元，位于金字塔底层的10%神经干细胞只贡献了1-2%的神经元，而那些早期就被清除掉的干细胞则没有任何机会产生子代神经元留在大脑中。
研究人员又利用单细胞和群体细胞转录组测序技术，收集了与细胞表型（phenotype）、细胞基因型（genotype）和细胞转录组型（transcriptotype）耦联的三个数据集，通过巧妙的生物信息学分析鉴定出了细胞竞争的分子特征，并开发了一套失败者特征评分系统，分数越高，干细胞的竞争能力越弱。基于这个方法体系，他们发现每个神经干细胞的评分高低与Axin2水平呈负相关，而与p53信号通路、压力相应通路、蛋白折叠通路等的激活水平呈正相关。这些结果都证明了内源性神经干细胞竞争是存在的，并且依赖于竞争调控子的基因表达水平。
显而易见的是，竞争调控子的内在差异性诱发了神经干细胞之间的竞争。研究人员又进一步把竞争调控子的表达都调整到相同的水平，从而削弱细胞竞争。这时，他们发现降低干细胞竞争可以使大脑皮层发生一定程度的扩张，神经元数目也显著增多（图三）。这意味着细胞竞争可以调控、优化器官大小。由于解析细胞竞争的生理作用极富挑战性，这项研究首次在哺乳动物中证明了细胞竞争对组织器官大小的调控作用。同时，这个现象背后的逻辑惹人深思，干细胞的内卷之战可能选择了最健康的细胞存活下来，然而过度的内卷无疑消灭了一群可以生存、值得生存的细胞群体。虽然我们还不清楚“不内卷的脑世界”是否变得更加美好，但研究人员声称那些脑器官更大的小鼠看起来健康、快乐，并没有认知障碍。
图三：Axin2-p53轴介导的神经干细胞竞争对脑器官大小的调控作用
简而言之，这项研究揭秘了神经干细胞之间的竞争，并揭示了发育期大脑中干细胞竞争的调控子、调控机制、时空属性和分子特征，并解析了干细胞竞争对器官大小的潜在调控作用。该工作为研究干细胞之间的竞争打开了新的大门，提供了新的策略。未来的路还很长，更深的问题还很多，潜在的雷区也有待逐步扫清。
这项工作由中科院遗传发育所博士研究生孙雪莲和陈振华等在吴青峰研究员的指导下完成。该研究在开展过程中得到了美国宾夕法尼亚大学宋洪军教授、清华大学时松海教授和江鹏教授、北京生命科学研究所陈婷研究员、中科院生化细胞所曾艺研究员、南京大学陈贵泉研究员、中科院遗传发育所艾有为研究员、中科院神经所何杰研究员、山西大学姚明泽教授的大力支持。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2023.03.016
参考文献
1. G. Morata, P. Ripoll, Minutes: mutants of drosophila autonomously affecting cell division rate. Dev Biol 42, 211-221 (1975).
2. C. Claveria, M. Torres, Cell Competition: Mechanisms and Physiological Roles. Annu Rev Cell Dev Biol 32, 411-439 (2016).
3. C. Claveria, G. Giovinazzo, R. Sierra, M. Torres, Myc-driven endogenous cell competition in the early mammalian embryo. Nature 500, 39-44 (2013).
4. M. Sancho et al., Competitive interactions eliminate unfit embryonic stem cells at the onset of differentiation. Dev Cell 26, 19-30 (2013).
