成体干细胞代表一种空白粘土，从中模塑出无数不同的细胞和组织类型，因此对健康，衰老和疾病至关重要。在快速翻转的组织中，例如肠道，干细胞的自我更新性质及其对致癌突变的易感性使得研究人员假定这些细胞也是癌症起源细胞。然而，成体干细胞相对于其分化的子细胞的稀有性使得它们在历史上难以研究。

多年来，研究人员假设身体维持着一群突变和抗损伤的“储备”干细胞，这些细胞可以作为一种休眠的储库，从中可以衍生出给定组织中的所有其他细胞。然而，研究人员对这一细胞群的确切身份发生了冲突。

现在，来自宾夕法尼亚大学的一个团队已经帮助确定了区分储备干细胞和据称具有相似特性的其他干细胞群的关键特征。利用单细胞基因表达分析以及其他尖端技术的研究表明，在肠道中，储备干细胞是一种与所谓的“标记保留细胞”不同的群体。人们长期认为这两个人口是同一个。

“魔鬼在细节中，”资深作者Christopher J. Lengner说，他是宾夕法尼亚大学兽医学院生物医学科学系的助理教授，也是宾夕法尼亚大学再生医学研究所的成员。“你需要一种具有单细胞敏感性的检测方法来解决正在研究的细胞群中潜在的异质性，从而真正了解这些细胞是什么。现在我们已经达到了这种水平的分辨率，我们可以开始提出与诸如癌症如何发起的问题，这个过程始于一个细胞。“

该论文发表在胃肠病学杂志上。

冷纳与该论文的主要作者李宁和Penn Vet的Angela Nakauka-Ddamba合作。Penn基因组分析核心的John Tobias; 和宾夕法尼亚大学沃顿商学院的Shane T. Jensen。

储备干细胞的概念出现在20世纪70年代中期，当时生物学家John Cairns提出了一种被称为不朽链假说的理论。他的想法是保留干细胞通过保护DNA的“母链”而保持免疫突变。在理论上，在每次细胞分裂期间，只有新复制的DNA链被传递到子细胞，而母链由原始干细胞维持。

为了寻找证据来检验这一假设，研究人员进行了一些实验，他们诱导干细胞掺入放射性DNA标记，然后通过细胞分裂进行追踪。

“他们当时看到的是，两个月后仍然有罕见的细胞保留了这个标签，”Lengner说。“他们把这个和其他一些实验作为不朽链假说的证据。”

换句话说，他们认为保留标记的细胞是保留在DNA母链上的储备干细胞。

几十年后，由于缺乏支持证据，不朽链假说失去了青睐，但科学家们通过注意到它们可能只是很少分裂的干细胞群来解释所谓的标记保留细胞的存在。在21世纪初期，研究人员使用不同的标记，包括绿色荧光蛋白或GFP，与稳定掺入染色质的组蛋白融合，以跟踪细胞分裂。使用GFP具有额外的好处，允许研究人员使用荧光激活细胞分选前瞻性地分离活细胞，并随后分析纯化细胞群中的细胞行为和基因表达。

最近已经使用这些类型的实验来表明标记保留细胞与储备干细胞相同。这些最近的研究表明，标记保留群体中的至少一些细胞可以产生肠道中所有不同的细胞谱系，正如干细胞应该的那样。

然而，Penn团队决定仔细研究标签保留细胞，看它们是否与不可缺少的储备干细胞真正相同。为此，他们创建了一个实验系统，他们将GFP引入针对肠道干细胞的幼鼠中，然后监测三个月内的荧光损失。如前所述，他们发现细胞保留了GFP标签。在短期内，这些标记保留细胞位于肠隐窝的基部和上方，肠绒毛基部的内陷受到保护而不受内腔内容物的影响。随着更多的时间过去，超过一个月甚至三个月，细胞被发现更少，并且仅在地下室的基部定位。

“这是一个让人们感到困惑的数据，”冷纳说，“因为标签保留细胞和储备干细胞都可以大致位于相对于地下室的相同位置。这导致人们推测它们是一个相同。”

为了确定它们是否确实相同，Penn团队将两个小鼠群体培育在一起，一个用GFP标记标记保留细胞，另一个用保留的肠干细胞标记用红色的Hopx基因控制的遗传标记。在由此产生的后代中，他们发现了一些带有两种标记的细胞，但大多数标记的细胞都属于相互排斥的群体。

然后，研究人员使用单细胞基因表达谱分析来寻找不同细胞群体中的基因。他们发现，短期标记保留细胞，储备肠干细胞和称为活性隐窝基柱状肠干细胞的细胞群，已知其易受损伤和突变，每个都具有独特的基因表达谱，因此不同的人口。

他们发现大多数Hopx标记的细胞或储备的肠干细胞存活并进入细胞周期以再生受损组织，而短期标记保留细胞则没有。这些细胞群具有额外的功能差异。虽然大多数Hopx标记的干细胞处于细胞周期的静止或静止阶段，但大多数标记保留细胞在细胞周期的G1期停滞，这是分化细胞的特征。

最后，研究人员表明，Hopx标记的肠道干细胞可以在培养中形成肠类器官，而长期标记保留细胞则不能，这表明长期标记保留细胞已经终末分化并且无法恢复。短期标记保留细胞确实形成了类器官，但效率只有Hopx细胞的一半。

“我们得出的结论是，这些短期标记保留细胞是活性干细胞的后代，并且正在经历分叉，成为两种肠细胞之一，”Lengner说。“它们在培养中保留了恢复干细胞状态的能力，但它们不是我们和其他组织长期研究的抗辐射保留干细胞。”

该研究结果挑战了数十年前的研究工作，为研究人员提供了研究肠道干细胞的新框架。“就像你正在观看足球比赛一样，球员背上都有数据，”李说。“如果他们没有这些数字，就很难谈论这场比赛，并且知道我所谈论的球员是否与你所谈论的球员相同。这些细胞群也是如此。”

现在他们已经确定储备干细胞不同于标记保留细胞，宾夕法尼亚大学的研究人员希望更加重视研究真正的储备干细胞，以确定肠道中的细胞群是如何组织的，并且最终可能了解这些和其他细胞群如何在癌症的出现中形成。