生存大賽:人體細胞的汰換速率探討


文/洪晨瑋 圖/胡睿珊

  俗話說人多力量大、眾志成城,組成人體的最小單元——細胞當然也是靠著一群又一群夥伴的力量才能執行各種生理功能。不過細胞的工作這麼複雜,想必也需要輪班制度——由幹細胞分化而來的新細胞接替已經鞠躬盡瘁,走到生命盡頭的細胞。今天我們就來看看人體內不同種類細胞的壽命,了解究竟是哪些組織裡的細胞不停的汰換,又有哪些細胞是陪伴我們一生的忠實夥伴呢?

壽命最短的細胞:上皮細胞

  上皮細胞就是覆蓋在我們的身體表面,緊密排列的那些細胞,擔任隔絕外界環境的第一線。人體內不只是皮膚最外層有大量的上皮細胞,消化道表面、血管壁也都有上皮細胞的蹤跡。皮膚中的上皮細胞要面對外界環境的各種刺激和傷害,如陽光中的紫外線、不小心碰到尖銳的物品、數以萬計的病原體,所以折損、汰換率非常的高。人類皮膚上皮細胞的壽命平均只有15到30天 [1],需要靠著不停的更新來維持皮膚的功能。相對於皮膚來說,臟器表面的上皮細胞所處的環境就相對穩定,不需要這麼頻繁的更新,因此細胞的平均壽命也長一些,可能為幾個月到兩年不等。

壽命最長的已分化細胞:神經元

  大家也許聽過一種說法:「神經細胞的壽命是無限的,可是同時也不會分裂。所以外傷讓神經元死掉的話神經元就會越來越少,記憶會越來越差。」其實這句話不完全正確。研究曾指出,如果將小鼠胚胎的神經前驅細胞移植到大鼠身上,那這些前驅細胞發展成的成熟神經元在大鼠體內的壽命最長可達36個月,比小鼠個體本身的18個月的平均壽命還長許多[1]。這個實驗證明了神經元的壽命可能不受限於個體壽命,不過也不能太武斷的說神經元的壽命「無限大」。接著來看看後半句話的錯誤,成熟神經元確實不會分裂,不過神經系統裡可不是只有成熟神經元。學者觀察到成體小鼠、大鼠以及人類大腦海馬迴中存在富有神經幹細胞、新生神經細胞、以及生長調節因子的區域[2],表示在這個區域確實還有神經幹細胞分裂和分化的現象,也就能補充神經細胞。而在缺乏幹細胞的周圍神經系統中,神經元本身也會盡可能生長、修復受損的軸突。因此,成熟神經元雖然壽命極長,但在整個神經系統中卻只有很小一部份可以再生,並且有不少修復機制在神經元受損時維持神經傳訊的運作。

外掛選手:癌細胞

  說到生存能力很強的細胞,大家應該腦海裡會想到腫瘤。諸多研究都指出癌細胞在缺乏葡萄糖或胺基酸的環境中能活化多種替代代謝途徑,更高效的產生能量維持生存[3]。除了能夠在營養不良的環境底下生存以外,癌細胞更是所有細胞種類中最長壽的細胞之一。1951年從一位美國婦女身上取出來的子宮頸癌細胞樣本。它自從被分離、培養後直到現在從來沒有失去生命力過。而且只要給予它適當的氮、磷、碳等營養,它就能不停的生長分裂生長分裂生長分裂……。這種長期維持分裂能力的現象在分化完成的體細胞中是難以見到的。

賽後講評:影響細胞壽命的因素

  看了幾個人體內細胞壽命的例子,大家或許會對細胞壽命究竟由甚麼因素決定的感到疑惑。細胞若是受到外界壓力,如紫外線照射、病原體入侵,那在生理功能遭受破壞的情況下其壽命想必是比相同種類的健康細胞來的短。至於對健康細胞而言,DNA的完整性則是決定細胞壽命的因素之一。如果DNA有缺損,細胞可能會因為沒了指揮而無法成功分裂出下一代細胞。在DNA的複製過程中,「端粒酶」(telomerase)能確保DNA完整性,避免複製過程造成的遺傳訊息缺失。正常細胞在分化過程中透過外來的訊號指引關閉端粒酶的活性,使得細胞分裂次數以及存活時間受到限制。另一方面,細胞內活躍的端粒酶是癌細胞成為分裂次數幾乎無限制的「外掛選手」的因素之一。總結來說,不同的細胞伴隨著不同的外界訊號有著不同的分裂次數上限,然而影響細胞壽命的調控機制絕對不只上述的幾個原因,仍有許多細節待科學家研究。期待未來更多謎團被解開,讓我們了解人體各種細胞的壽命長度與背後的調節機制。


參考資料:

[1] Magrassi, L., Leto, K., & Rossi, F. (2013). Lifespan of neurons is uncoupled from organismal lifespan. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(11), 4374-4379.

[2] Gould, E., Tanapat, P., Hastings, N. B., & Shors, T. J. (1999). Neurogenesis in adulthood: a possible role in learning. Trends in cognitive sciences, 3(5), 186-192.

[3]Boroughs, L. K., & DeBerardinis, R. J. (2015). Metabolic pathways promoting cancer cell survival and growth. Nature cell biology, 17(4), 351-359.

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