真核生物通常通過有絲分裂增加體細(xì)胞數(shù)量，經(jīng)歷G1期（DNA合成前期）、S期（DNA合成期）、G2期（DNA合成后期）和M期（分裂期）這一細(xì)胞周期，每完成一次分裂得到與母細(xì)胞遺傳物質(zhì)一致的兩個(gè)子代細(xì)胞。內(nèi)復(fù)制細(xì)胞周期僅包含G期和S期，細(xì)胞并不發(fā)生分裂。其主要有兩種形式：1）S期和G期交替進(jìn)行，但染色體和胞質(zhì)不分離，稱為核內(nèi)循環(huán)，可產(chǎn)生體積增大的單核細(xì)胞；2）雖然染色體分離，但是母細(xì)胞并未完成分裂，稱為核內(nèi)有絲分裂，可產(chǎn)生多核細(xì)胞［1-2］。無論通過何種形式，每一次內(nèi)復(fù)制均使細(xì)胞內(nèi)DNA含量增加一倍，形成多倍體巨細(xì)胞。從真菌到人類，各種有機(jī)體的正常發(fā)育和器官形成過程中內(nèi)復(fù)制作用不可或缺［3-4］。在哺乳動物胚胎滋養(yǎng)層巨細(xì)胞、心肌細(xì)胞、肝細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、角化上皮細(xì)胞、腎原始足細(xì)胞中也有內(nèi)復(fù)制現(xiàn)象和多倍體細(xì)胞的存在［5］。在創(chuàng)傷愈合和組織修復(fù)過程中，細(xì)胞可通過內(nèi)復(fù)制驅(qū)動有絲分裂后細(xì)胞的生長進(jìn)行代償以維持組織穩(wěn)態(tài)。臨床上已經(jīng)在癌組織中觀察到內(nèi)復(fù)制現(xiàn)象和多倍體細(xì)胞。由內(nèi)復(fù)制形成的多倍體細(xì)胞常存在于高級別腫瘤以及放、化療或靶向治療后的腫瘤組織中，如在胃癌中內(nèi)復(fù)制誘導(dǎo)的多倍體細(xì)胞在癌組織中約占11%，而肝細(xì)胞肝癌中這一比例達(dá)到54%［6］。由于多倍體細(xì)胞不具備有絲分裂的能力，以往認(rèn)為這些細(xì)胞在腫瘤的演進(jìn)過程中所起的作用微乎其微，然而越來越多的證據(jù)表明內(nèi)復(fù)制以及其產(chǎn)生的多倍體細(xì)胞對于腫瘤的發(fā)生、演進(jìn)和復(fù)發(fā)的重要性，且內(nèi)復(fù)制過程中的DNA過度復(fù)制會造成基因組不穩(wěn)定和非整倍體的產(chǎn)生，這些均為腫瘤發(fā)展的特征性變化，也使得內(nèi)復(fù)制現(xiàn)象成為腫瘤學(xué)研究領(lǐng)域的又一熱點(diǎn)。

1 內(nèi)復(fù)制的生理作用

1.1 組織、器官的發(fā)育

內(nèi)復(fù)制是許多有機(jī)體程序化生長的一部分。黑腹果蠅的多種幼蟲期和成蟲期組織均經(jīng)歷了多倍體化。果蠅幼蟲唾液腺細(xì)胞通過內(nèi)復(fù)制產(chǎn)生多倍體巨細(xì)胞，以確保分泌和儲存足夠的消化酶和膠質(zhì)。果蠅后腸細(xì)胞中通過內(nèi)復(fù)制形成的多倍體巨細(xì)胞對后腸維持水和離子平衡的功能有重要作用。在黑腹果蠅幼蟲期腦的發(fā)育過程中，構(gòu)成血腦屏障的神經(jīng)末梢膠質(zhì)細(xì)胞會逐漸發(fā)生多倍體化，若抑制內(nèi)復(fù)制，其生長速度減緩且血腦屏障功能受損［7］。人類受精卵受精后繼續(xù)分裂形成卵裂球，在卵裂球的不斷生長過程中通過內(nèi)復(fù)制產(chǎn)生了高比例的單核或者多核的多倍體細(xì)胞，形成未來的合體滋養(yǎng)層細(xì)胞，在母體血供和胚胎之間起屏障作用［8］。合體滋養(yǎng)層細(xì)胞也參與胚胎植入過程。值得注意的是，該過程與腫瘤的浸潤過程較相似［9］。巨核系祖細(xì)胞經(jīng)內(nèi)復(fù)制形成8～32倍體后，其胞質(zhì)才開始分化，隨后開始產(chǎn)生血小板［10］。

1.2 創(chuàng)傷愈合和組織修復(fù)

有研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)復(fù)制在創(chuàng)傷愈合和組織修復(fù)中也非常重要。當(dāng)組織發(fā)生損傷，部分細(xì)胞死亡后，死亡細(xì)胞周圍的剩余細(xì)胞需要通過加速分裂增殖或使細(xì)胞體積增大進(jìn)行代償以維持組織和器官的形態(tài)和功能。由于內(nèi)復(fù)制可以驅(qū)動有絲分裂后細(xì)胞的生長，所以細(xì)胞的代償性肥大過程中常有內(nèi)復(fù)制現(xiàn)象發(fā)生。在果蠅卵泡上皮組織中局部細(xì)胞丟失后，可以觀察到代償性肥大的細(xì)胞填補(bǔ)了缺損［11］。這種經(jīng)內(nèi)復(fù)制產(chǎn)生的代償性肥大細(xì)胞不僅體積更大，DNA含量比之前增加了兩倍以上。在黑腹果蠅成蟲表皮細(xì)胞的研究中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)組織被刺傷時(shí)，剩余細(xì)胞經(jīng)可通過內(nèi)復(fù)制或者細(xì)胞融合形成多倍體細(xì)胞［12］。果蠅的腸上皮在損傷修復(fù)或壓力應(yīng)對狀態(tài)下，腸干細(xì)胞向腸上皮細(xì)胞分化過程中也要經(jīng)歷內(nèi)復(fù)制，使DNA含量和細(xì)胞體積顯著增加［13］。人類心肌細(xì)胞也會通過代償性肥大以應(yīng)對心功能需求的增加。肝損傷或部分肝切除后的肝再生過程中，大多數(shù)肝細(xì)胞進(jìn)入S期，僅一部分細(xì)胞發(fā)生細(xì)胞分裂，其他細(xì)胞則發(fā)生內(nèi)復(fù)制。當(dāng)敲除肝細(xì)胞中有絲分裂必需的細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶1（CDK1）和分離酶基因后，肝臟中多倍體細(xì)胞數(shù)增加，肝臟仍具有再生潛能。當(dāng)在多倍化所必需的E2F7和E2F8基因缺失后，肝臟也仍具有再生潛能［14］，但這種情況下二倍體細(xì)胞數(shù)量顯著增加，學(xué)者們認(rèn)為是有絲分裂彌補(bǔ)了內(nèi)復(fù)制的缺失，且這種內(nèi)復(fù)制代償性肥大和有絲分裂增生之間的平衡取決于損傷類型。當(dāng)DNA受損時(shí)，肝細(xì)胞優(yōu)先選擇內(nèi)復(fù)制來抵抗致死效應(yīng)［15］。在應(yīng)激狀態(tài)下，心肌細(xì)胞和植物細(xì)胞也優(yōu)選通過內(nèi)復(fù)制來抵抗損傷。

2 內(nèi)復(fù)制發(fā)生的分子機(jī)制

雖然有絲分裂和內(nèi)復(fù)制經(jīng)歷不同的細(xì)胞周期，但其均依賴于G1周期蛋白的脈沖，有許多相同的調(diào)控蛋白。細(xì)胞進(jìn)入內(nèi)復(fù)制需要繞過有絲分裂的中心過程即染色體/胞質(zhì)分裂，需要下調(diào)驅(qū)動G2期至M期的細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶（M-CDK）的表達(dá)，同時(shí)活化驅(qū)動G1期至S期的細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶（S-CDK），使細(xì)胞跳過M期進(jìn)入S期，另外還需要后續(xù)的S-CDK的周期性滅活，以確保細(xì)胞再進(jìn)入G期。在包括酵母在內(nèi)的多種類型細(xì)胞中均發(fā)現(xiàn)抑制M-CDK的活性可使細(xì)胞進(jìn)入內(nèi)復(fù)制周期［16］，而在對黑腹果蠅進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)S-CDK激活劑cyclin E的持續(xù)表達(dá)可以阻止內(nèi)復(fù)制發(fā)生［17］。

在果蠅脂肪和唾液腺組織中，InR/Pi3K/TOR通路活化可促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)復(fù)制［5］。在果蠅卵子發(fā)生過程中，Notch信號在細(xì)胞由有絲分裂向內(nèi)復(fù)制轉(zhuǎn)變過程中起關(guān)鍵作用。當(dāng)生殖干細(xì)胞在胚芽中產(chǎn)生成核細(xì)胞后，其通過有絲分裂增殖產(chǎn)生一層包圍生殖細(xì)胞的卵泡細(xì)胞［18］。生殖系細(xì)胞產(chǎn)生Delta配體與卵泡細(xì)胞上的Notch受體結(jié)合，導(dǎo)致Notch受體的蛋白水解，釋放出Notch的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域（NICD）。在細(xì)胞核內(nèi)，NICD與轉(zhuǎn)錄因子SU（H）共同作用，誘導(dǎo)下游基因表達(dá)［19］。其中就包含能夠誘導(dǎo)從有絲分裂周期轉(zhuǎn)入內(nèi)復(fù)制細(xì)胞周期的Fizzy結(jié)合基因［20-21］。在對果蠅唾液腺發(fā)育的研究中發(fā)現(xiàn)，E2F1的振蕩轉(zhuǎn)錄對于內(nèi)復(fù)制起著關(guān)鍵作用：在G期時(shí)E2F1的聚積可激活細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶CycE/Cdk2啟動S期，而后泛素連接酶CRL4 CDT2激活并介導(dǎo)E2F1的降解，抑制CycE/Cdk2的表達(dá)，從而允許在DNA形成預(yù)復(fù)制復(fù)合物，為新一輪內(nèi)復(fù)制做準(zhǔn)備。胰島素和胰島素樣生長因子受體信號通路參與果蠅內(nèi)復(fù)制使細(xì)胞發(fā)生代償性肥大填補(bǔ)卵泡上皮缺損，而果蠅成蟲表皮細(xì)胞通過Hippo信號通路的失活，JNK通路的活化誘導(dǎo)創(chuàng)傷愈合過程中的內(nèi)復(fù)制和細(xì)胞多倍體化［12，22］。EGFR/RAS/MAPK通路也參與在果蠅腸上皮再生的內(nèi)復(fù)制過程［13］。這些研究表明在不同類型的細(xì)胞中，內(nèi)復(fù)制發(fā)生和調(diào)控的具體分子機(jī)制可能不盡相同，仍需深入研究。

3 內(nèi)復(fù)制在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用

3.1 基因不穩(wěn)定

基因組的穩(wěn)定擴(kuò)增對有機(jī)體的生長和穩(wěn)定必不可少，而內(nèi)復(fù)制易導(dǎo)致基因的不穩(wěn)定。在內(nèi)復(fù)制過程中常可以觀察到染色體畸變，后期橋接和染色體脫扣等基因不穩(wěn)定的現(xiàn)象［23］。隨著不穩(wěn)定基因的逐漸積累，可能導(dǎo)致腫瘤發(fā)生。人類很多腫瘤類型中均存在多倍體瘤巨細(xì)胞，且其與患者不良預(yù)后密切相關(guān)。在內(nèi)復(fù)制細(xì)胞中，由于所有基因完成復(fù)制前S期即停止，可造成臂間異染色質(zhì)的復(fù)制不足，經(jīng)過幾輪內(nèi)復(fù)制后，誘發(fā)DNA的損傷應(yīng)答反應(yīng)，但內(nèi)復(fù)制細(xì)胞中由于促凋亡基因的下調(diào)和p53活化反應(yīng)被抑制，細(xì)胞能夠逃避凋亡而得以存活［24］。另外，因?yàn)榇蠖鄶?shù)化療藥物均通過誘導(dǎo)細(xì)胞周期檢測點(diǎn)依賴的凋亡而發(fā)揮作用，經(jīng)過抑制有絲分裂的抗癌藥物治療后，盡管大部分細(xì)胞會因細(xì)胞周期停止而死亡，但一小部分細(xì)胞會由于抗癌治療產(chǎn)生的壓力應(yīng)激狀態(tài)進(jìn)入內(nèi)復(fù)制周期形成多倍體細(xì)胞被保存下來，在周圍條件適宜時(shí)再發(fā)生去多倍體化以恢復(fù)有絲分裂，引起腫瘤復(fù)發(fā)，這在結(jié)腸癌中已有一些支持的實(shí)驗(yàn)研究［22，25］。

3.2 去多倍體化

自然發(fā)育過程中多倍體細(xì)胞的內(nèi)復(fù)制現(xiàn)象常被認(rèn)為是不可逆的。然而有些研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)減數(shù)分裂相關(guān)基因激活后，多倍體細(xì)胞又具備了有絲分裂的能力。如在果蠅內(nèi)復(fù)制細(xì)胞中敲除細(xì)胞周期蛋白A或抑制CDH1，細(xì)胞可恢復(fù)有絲分裂。有研究發(fā)現(xiàn)人類和小鼠細(xì)胞在經(jīng)歷放射線或化學(xué)藥物刺激后可模仿發(fā)育過程中的內(nèi)復(fù)制周期而得以生存，但當(dāng)細(xì)胞重新獲得有絲分裂能力后常會發(fā)生多極分裂、染色體偏分離和胞質(zhì)不分離，形成非整倍體細(xì)胞，這可能也促進(jìn)了腫瘤的發(fā)生［26］。更為有趣的是有研究［27-28］發(fā)現(xiàn)卵巢癌細(xì)胞、乳腺癌細(xì)胞、正常成纖維細(xì)胞經(jīng)紫杉醇或缺氧誘導(dǎo)劑二氯化鈷刺激后均可發(fā)生內(nèi)復(fù)制，形成的多倍體巨細(xì)胞可通過與酵母類似的出芽或者碎裂的方式產(chǎn)生大量子細(xì)胞。這些子細(xì)胞均可以重新獲得有絲分裂能力。子代腫瘤細(xì)胞甚至對細(xì)胞毒藥物具有更強(qiáng)的抵抗能力。大量腫瘤樣本的計(jì)算建模分析也表明［29］，許多腫瘤都可以進(jìn)化到接近三倍體的狀態(tài)，提示多倍體可能為腫瘤細(xì)胞的生長和生存提供選擇性的優(yōu)勢。

3.3 腫瘤干細(xì)胞樣特性

腫瘤細(xì)胞干細(xì)胞樣特性被認(rèn)為是腫瘤抵抗放、化療及轉(zhuǎn)移、復(fù)發(fā)的根源，通常認(rèn)為癌細(xì)胞可以通過類似于胚胎的上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）獲得干性。有研究［27，30］發(fā)現(xiàn)由內(nèi)復(fù)制產(chǎn)生的多倍體瘤巨細(xì)胞（PGCCs）非常類似于胚胎卵裂球階段的發(fā)育，具有類似胚胎的干性，不僅可表達(dá)CD44、CD133等多種胚胎干細(xì)胞標(biāo)志物，還能夠分化出類似于胚胎的三個(gè)胚層結(jié)構(gòu)。PGCCs具有較高的可塑性，可被誘導(dǎo)分化為脂肪、軟骨、骨等組織。來源于正常成纖維細(xì)胞的多倍體細(xì)胞甚至可形成由成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞，甚至紅細(xì)胞等間充質(zhì)細(xì)胞組成的良性腫瘤［28，31］，其推測，在應(yīng)激狀態(tài)下，腫瘤細(xì)胞優(yōu)先選擇內(nèi)復(fù)制而非有絲分裂來抵抗致死效應(yīng)。內(nèi)復(fù)制形成的多倍體細(xì)胞不僅能幫助腫瘤細(xì)胞得以存活并保存其DNA信息，還能使細(xì)胞去分化至胚胎發(fā)育早期階段以獲得類似于干細(xì)胞的自我更新能力，之后通過再分化促進(jìn)新瘤形成，導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā)［32］。

4 展望

目前，內(nèi)復(fù)制現(xiàn)象的研究雖然已取得了令人鼓舞的成果，但仍有一些至關(guān)重要的問題有待系統(tǒng)深入地探討，如應(yīng)激狀態(tài)下內(nèi)復(fù)制的使動因素、參與內(nèi)復(fù)制細(xì)胞周期及多倍體細(xì)胞去多倍體化調(diào)控的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、關(guān)鍵環(huán)節(jié)及有效的干預(yù)靶點(diǎn)；能否利用PGCCs的干樣特性使其分化為軟骨、骨或脂肪等，促進(jìn)腫瘤的良性轉(zhuǎn)化等等。內(nèi)復(fù)制現(xiàn)象有助于揭示惡性腫瘤的發(fā)生、發(fā)展，為找尋治療腫瘤的新方法提供了潛在的新思路。