谁在主宰细胞的命运？

你好，我是王立铭，欢迎来到生命科学50讲。我们继续讲细胞的分工。

上节课，你知道了人身体里面，那么大规模细胞分工的简单过程，知道了细胞命运的三个转折点。

但是你有没有想过，在这个过程中，无数个细胞的命运是怎么变得不一样的？

• 这些细胞都是来自同一个受精卵，为什么后代细胞会变得五花八门？
• 为什么有的细胞会变成胎儿的一部分，有的则会变成胎盘？
• 为什么有的会方方正正的，比如肝脏细胞，有的长得奇形怪状，比如小肠上皮就会长出好多绒毛一样的突起？
• 为什么有的寿命很短，比如红细胞和上皮细胞，一般只有几十天最多几个月的寿命，但是有的神经细胞可以活好几十年？

是什么力量推动他们走向不同的道路呢？

这里，我想用一个物理学常用的概念——对称破缺——来换一种方式解释一下这个问题。

对称破缺的意思简单来说，就是对称被打破了。这就像细胞的分工一样。

打个比方，有一个人类胚胎的细胞，你可以把它看成一个完美对称的球体。但是当它从中间一分为二，变成两个细胞的时候，两个后代细胞的身份就不一样了：一个专门生产神经细胞，一个专门生产皮肤细胞。

这样一来，原本的完美对称就被破坏掉了。那么问题就变成了：在生物体内，对称破缺到底是怎么发生的？

这个问题直到现在都还是生命科学研究的热点问题。因为，想要构成一个生物体，需要的细胞类型实在是太多、太精细了。

换句话说，在生物体内部，对称破缺发生的次数太多、形式太多样了。所以，仍然有非常多的细节问题没有理解清楚。

今天，我想帮助你简单理解一下其中根本性的生物学原理。

一句话概括：细胞的对称破缺，是内因和外因共同作用的结果。

你可能会说，这不是一句正确的废话吗？别急，其实这句话用来解释生物的成长发育过程，是非常准确的。

这一讲，我就具体阐释一下，为什么说细胞的分化、细胞的对称破缺，是内因和外因共同作用的结果，内因和外因又是怎么起作用的。

分工的外因：环境中化学信号的强度

先说外因，也就是环境因素。外因导致对称破缺，在原则上很简单。

我们可以想象一个完美对称的球形细胞，要进行细胞分裂了。与此同时，这个细胞所在的环境里，有一种化学物质分布不均匀：左边高，右边低。这种化学物质可以接近，甚至进入细胞，影响细胞的命运走向。

那接下来发生的事情就很好理解了，完美对称的球形细胞一分为二之后，分出来的两个后代细胞，因为身处在不同的信号环境下，所以出现了不同的命运。

我来用一个真实的例子说明这个过程。

在人体内有一类叫WNT的蛋白质分子，它的个头不大，由三四百个氨基酸组成。

这种蛋白质被生产出来以后，会被分泌到细胞外面，所以对于其它细胞来说，WNT也就成为了它们外部环境的组成部分。

在过去几十年里，生物学家们发现，WNT在身体发育的不同阶段、不同区域、不同细胞类型里，都决定着细胞的命运。

比如，我们提到过，有一种细胞叫红细胞祖细胞。它可以不停地分裂制造红细胞。

当它一分为二，产生两个细胞的时候，这两个细胞有一个会失去继续分裂的能力，变成真正的红细胞；而另一个仍然保留祖细胞的身份，继续分裂制造新的红细胞。

可是到底哪个会变成红细胞，哪个仍然保留为祖细胞呢？这个时候，周围环境的WNT就起作用了。

如果周围的WNT相对少，那么这个后代细胞就会变成红细胞开始干活；而如果周围的WNT相对多，那这个后代细胞还保留祖细胞的身份，可以继续分裂制造红细胞。

所以结果就是，一个红细胞祖细胞不停地分裂，可以在自己身份不变的情况下，不断地产生新的红细胞。

当然了，如果你觉得这一段信息量有点儿大，没关系，WNT这样的专有名词你可以忽略。但是请记住，这个例子说明：外部环境中化学信号的强度，可以作为外因，产生对称破缺，决定细胞命运的走向。

分工的内因：细胞之间的反复博弈

那如果细胞的外部环境差不多，怎么办呢？这时候对称是怎么破缺的呢？下面，我想举另一个例子，说说决定细胞命运的内在因素。

之前我提过，在人体早期发育的时候，人体胚胎里面的外胚层细胞，会继续分化成上皮细胞和神经细胞，走上两条完全不一样的道路。

其实，在一开始的时候，所有的外胚层细胞，你都可以认为是一样的，而且它们身处的环境也差不多。

在这个对称破缺的过程里，细胞的内部条件就起了决定性的作用。很有意思的是，这个对称破缺，是通过几个细胞之间反复多次的博弈之后，共同决定的。

具体来说，这个过程需要一种叫Delta的蛋白质，这种蛋白质是外胚层细胞自己产生的。

现在，我们可以假装你和我，就是这样的两个外胚层细胞，来模拟一下到底发生了什么。

一开始，我们区别不大，自己生产的Delta的数量，周围包围我们的Delta的数量，也是类似的。我们俩之间有一种小心翼翼维持的对称和平衡。

但是，可能就在下一秒钟，我生产的Delta比你多了那么微不足道的一点点。这件事本身不足为奇，生物体内这样的随机波动太多了。但是，因为Delta的两个特性，这微不足道的波动就会引起剧烈变化。

这两个特性是什么呢？

首先，Delta蛋白质有对外的抑制功能。意思就是，一个细胞生产出Delta，能阻止周围别的细胞生产Delta。

其次，Delta能强迫一个细胞变成上皮细胞。如果一个细胞周围的Delta很多，这个被包围的细胞就会变成上皮细胞；反过来，如果它周围的Delta少，它就会变成神经细胞。

好，我们继续回到刚刚的假想，我们还是两个外胚层细胞。

• 当我生产的Delta比你多了微不足道的一点点之后，根据Delta信号的第一个抑制特性，你会因此少生产一点点Delta；
• 而因为你生产的Delta少了一点，对我产生的抑制能力更小了，所以我会生产更多一点点的Delta。

这一直循环下去，原本非常微弱的、甚至是随机导致的差别，就会被放大到非常显著的程度。

你应该已经发现了，这其实是一个正反馈循环。在这样的循环中我生产的Delta会最大化，而你生产的Delta会被彻底抑制住。

然后呢，基于Delta信号的第二个特性，你的周围被大量Delta信号包裹，因此会变成上皮细胞，而我周围什么Delta信号都没有，因此我将会变成神经细胞。

就这样，从一群完全一样的细胞里，在一个没有差别的外部环境里，细胞内部一些非常微弱的随机变化，也能够被持续放大，从而锁定细胞的命运走向。

这一段可能也有点烧脑，我们稍微停顿一下。

抛开具体的生物学机制，这个例子其实说明的是：就算外部环境是一样的，细胞内部非常微弱的信号波动，也可以被反复放大，作为内因决定细胞命运的走向。

所以你看，细胞的对称破缺，还真的是内因和外因共同作用的结果。

当然了，为了便于理解，我只提供了两个具体的例子，WNT和Delta。但是你完全可以把WNT当做是细胞外因的代表，Delta信号当做是细胞内因的代表。

在真实场景里，内因和外因肯定不是非此即彼的，它们之间一定会相互影响，共同决定细胞的命运。

说到这里，我想简单总结一下上一讲和这一讲的核心思想：

在生物体的发育过程中，在一个受精卵变成100万亿个细胞的过程中，细胞命运发生过三次重大转折。

它们出现了精细的分工，形成了成百上千条永不交叉的命运曲线。而主宰它们走上不同命运的，既有外部环境的诱导，也有自身特性的变化。我们身体上每一个器官、每一块组织，都是这么来的。

而这一切发展的巅峰，可能就是我们人类的大脑了。

下一讲，是分工这个元素的最后一讲，我会带你看看，我们的大脑到底是如何发育而来的，其中有没有什么独特的原理。

我们下一讲见。