第十二章-细胞分化.doc

第十二章 细胞分化多细胞高等生物有机体是由各种不同类型细胞所构成，这些细胞在形态结构、生理功能上有很大差异，但它们都源于同一细胞受精卵。从受精卵发育成生物个体是通过细胞分裂和细胞分化来实现的。通过细胞分化产生各种不同细胞类型，例如神经细胞、肌肉细胞、肝细胞、表皮细胞等。细胞分化是选择性转录的结果。第一节 细胞分化的基本概念一、细胞决定与细胞分化一般情况下，细胞在发生可识别的形态变化之前，就已受到约束而向着特定的方向分化，这时细胞内部已发生了变化，确定了未来发育命运，即所谓决定（determination）。决定之后，分化的方向一般不再改变。在动物组织中,细胞分化的一个普遍原则是：一个细胞一旦转化为一个稳定的类型后,就不能逆转到未分化状态。这种逆转是相对的，不可能在自然情况下发生去分化；反之，在一定条件下发生逆转去分化现象。细胞决定和分化的关系：在胚胎细胞分化上，决定先于分化，而分化则是决定稳定发展的结果；决定是细胞预先做出了发育的选择，而分化是细胞在形态、结构、功能方面的稳定差异；决定和分化两者都是生命运行过程，都经历起始、发展、稳定的阶段，是细胞发育的综合反应；在发育遗传学上，亲代细胞内的基因编码程序和环境指令限定了胚胎细胞决定和分化进程。二、细胞分化的概念 细胞分化(cell differentiation)是指在个体发育过程中细胞之间产生形态结构、生理功能和生物化学特性稳定差异的过程。因此，常将细胞的形态结构、生理功能和生化特征作为识别细胞分化的3项指标。将这些在形态、结构、功能上有了稳定差异的细胞称为分化细胞。三、细胞分化的特点（一）稳定性 稳定性是细胞分化的一个最显著的特点。特别是在高等生物中，一旦分化启动，诱导分化的因子即使不存在时，分化仍可继续进行，而且分化状态将是十分稳定的，并能通过许多细胞世代。例如，神经细胞在机体的整个生命过程中始终保持着稳定分化状态，而不再进行分裂。（二）可逆性 细胞分化是一个相对稳定和持久的过程，不会自发的逆转，但在一定的条件下，高度分化的细胞可以重新分裂而回到胚胎性细胞状态，这种现象叫做去分化（dedifferentiation）或称脱分化，也称细胞分化的可逆性。例如，正常分化的细胞在射线、药物、毒物等因素的作用下可转化为癌细胞。无论动物还是植物，细胞分化的稳定性是普遍的，而可逆是有条件的：分化的逆转只发生于具有增殖能力的组织中；细胞必须处于有利于分化逆转的环境中；分化能力的逆转必须具有相应的遗传物质基础。（三）全能性 细胞的全能性是指在一定条件下，细胞表达其全部遗传信息，并进而发育成完整的充分分化的机体的能力。Wilmut等的克隆羊实验，确证了动物胚胎的生长、分化和发育过程并不对基因组（除了免疫球蛋白和T-细胞受体基因）造成不可逆的修饰，在发育过程中已分化的体细胞核中仍具有与受精卵相同的核等价性或基因组连续性。（四）分化细胞来自共同的母细胞受精卵，而后形成各层次的干细胞 这一点同细胞分裂相似，但细胞分化形成的子细胞在形态、结构上发生差异，这是由于基因的选择性表达造成细胞的分化。（五）时间和空间上的分化 一个细胞在不同的发育的阶段中可以有不同的形态和功能，这是时间上的分化。同源细胞一旦分化，由于各种细胞所处的空间位置不同，其环境也不一样，出现形态上的差异和机能上的分工，产生不同的细胞类型称为空间上的分化。单细胞生物只有时间上的分化，而多细胞生物既有时间上的分化又有空间上的分化。（六）普遍性 细胞分化是一种普遍存在的生命现象，在整个个体发育中均有细胞分化活动。四、单细胞生物和多细胞生物的细胞分化（一）单细胞生物的细胞分化在单细胞生物中，细胞分化在同一细胞表现出时间上的分化，如噬菌体的溶菌型和溶原型，原核生物和原生生物的细胞多型性等。（二）多细胞生物的细胞分化 多细胞生物的细胞不但有时间上的分化，而且还有空间上的分化，表现在一个生物体的前端和后端、内部和外部、背面和腹面等部位，可以有不同的细胞。细胞的分化更多地由基因直接支配。第二节 细胞分化的潜能一、全能性的细胞 细胞的全能性（totipotency）是指一个细胞在一定条件下具有发育成完整个体的能力，具有这种能力的细胞称为全能性细胞。一个全能性细胞，应该有表达其基因组中任何一种基因的能力，亦即能分化为该种生物体内任何一种类型的细胞。理论上讲，每个具有完整基因组的细胞，包括生殖细胞和体细胞，都应该是全能性的。二、胚胎细胞的分化潜能 在机体的整个生命过程中都有细胞分化活动现象，而在胚胎期细胞分化活动最典型。多细胞生物体来源于一个受精卵，经过卵裂到8个细胞前的阶段，细胞基本是全能性的。到囊胚和三胚层形成之后，随着细胞空间关系的变化和微环境的差异，多胚层细胞在分化潜能上开始出现一定的局限性，只倾向于发育为本胚层的组织器官。三胚层的分化潜能虽然局限，但仍然具有发育成多种表型的能力，这种细胞称为“多能细胞（pluripotent cell）”。经过器官发生，各种组织细胞的发育命运最终确定，最后形成在形态上特化、功能上专一化的终末分化细胞。细胞分化过程中的一个普遍规律，由全能多能单能的这一过程称为细胞的单能化。三、体细胞的分化潜能 细胞分化不仅存在于胚胎发育过程中，成体中也存在细胞分化用以补充皮肤、血液、肠上皮细胞的不断更新。成体中的细胞分化有三种形式：（1）已存在的细胞功能由弱、强、减退到丧失。（2）已有的分化细胞通过分裂产生两个功能相同的细胞如血管内皮细胞。（3）成体许多组织具有一部分未分化的细胞，一旦需要，这些细胞便进行细胞分裂，经过分化产生新的子细胞，这部分未分化的细胞称为组织干细胞（stem cell）。当机体需要时，成体干细胞便可按发育的途径增殖分化为特定的细胞，它们通过增殖、分化补充机体各种组织器官中衰老死亡的细胞。 第三节 细胞分化与基因表达 受精卵发育为一个新的个体，是受一系列基因调控的，这些基因在发育过程中，按照时间、空间顺序启动和关闭，互相协调对胚胎细胞的生长和分化进行调节。因此细胞分化的实质是基因的差别表达或顺序表达，即特定的基因在特定的时间内在特定的组织中表达的结果。 在细胞内与分化有关的基因按其功能分为两类：一类是管家基因（house keeping gene），是维持细胞基本活动所必需的基因，但对细胞分化一般只有协调作用。管家基因在各类细胞的任何时间内都可以得到表达，其产物是维持细胞最低限度的功能所不可缺少的，如膜蛋白、核糖体蛋白、线粒体蛋白、糖酵解酶、核酸聚合酶等；另一类为奢侈基因(luxury gene)，也叫组织特异基因（tiseue specific gene），是指与各种分化细胞的特殊性状有直接关系的基因，这类基因编码细胞特异蛋白质，丧失这类基因对细胞的生存并无直接影响，但对细胞分化、决定细胞特异性方面起着重要的作用。奢侈基因只存在特定的分化细胞中表达并受时期的限制，其编码产物称奢侈蛋白，如红细胞的血红蛋白、表皮细胞的角蛋白等。正是由于这些基因的选择性表达导致细胞分化。一、转录水平的调节 大量的实验研究表明，细胞分化的基因表达的调节，主要发生在转录水平上，即是否出现某种性状决定于是否存在有关的mRNA。 （一）DNA甲基化在细胞分化过程中，DNA甲基化参与了基因转录调节。这是通过体外诱导成纤维细胞发育为肌肉细胞的实验得以证明。（二）活化染色质结构的特异调控区 大量实验研究表明，DnaseI敏感位点常是转录因子结合部位，说明DnaseI敏感位点的存在与基因转录活性密切相关。在胚胎发育过程中，随着红细胞的分化，相应于珠蛋白基因的DnaseI敏感位点也发生变化。如在小鼠原红细胞的前体细胞中，胚胎型珠蛋白基因没有DnaseI敏感位点，而在胚胎第5天，由前体细胞发育至原红细胞阶段，胚胎型珠蛋白基因活化，此时很容易检测出DnaseI敏感位点。（三）各种调控元件调节转录 调节转录的各种调控元件包括基因的顺式调控元件（启动子、增强子、沉默子等）和参与启动子、增强子、沉默子等DNA结合的反式调控因子（各种转录因子）。基因的时空表达顺序受各种顺式调控元件、反式调控元件和同源异型基因的调节。（四）核内RNA 转录后形成的核转录产物为核RNA(nRNA)，即不均一RNA(hnRNA)，其长度和种类都大于mRNA，nRNA 仅10%20%进入细胞质，成为成熟mRNA。nRNA的选择加工也是细胞分化的重要机制。（五）nRNA差别加工 同一nRNA因加工不同产生不同mRNA，例如在淋巴细胞发育过程中，其抗体基因转录形成同一RNA。有可变区（抗原结合区），恒定区以及内含子。在转录后加工过程中，因剪接而形成不同mRNA。除此之外，还有5端“戴帽”和3端“加尾”的修饰方式。（六）专一mRNA的降解 mRNA的专一性降解也是转录后调节的一条途径，例如哺乳动物成红细胞（erythroblast）的分化过程中，早期细胞合成若干种mRNA，其中少量的珠蛋白mRNA被保留，但到后期的最后几次细胞分裂时，只有珠蛋白mRNA保留下来，其他种类mRNA均被降解。二、翻译水平的调节 翻译水平的调节与转录调节不同，很少有选择性翻译，即在分化细胞内并无专门翻译某种mRNA而不翻译其他mRNA的调节机制。相反，翻译调控通常是通过调节细胞的整体翻译水平来实现的。热激（heat shock）反应即是一例，热激不但影响转录的起始，也使大部分翻译停止，而同时热激蛋白mRNA加紧翻译，一段时间后，蛋白质合成恢复正常。虽然基因差异表达是细胞分化的关键环节，但是调节细胞分化则涉及到基因表达的各个水平及细胞生命活动的许多方面。第四节 影响细胞分化的因素一、细胞内因素（一）细胞核在细胞分化中的作用 在细胞分化过程中，细胞核起着最重要的作用。首先，生物任何性状的出现都是由遗传物质决定的，而遗传物质位于细胞核内；其次，从胚胎全能细胞到多能细胞再到单能细胞以及分化细胞之所以能合成特异蛋白质，都是由于细胞核内的基因有选择性表达的结果；另外细胞质对细胞分化的决定作用是要通过调控细胞核的基因表达来实现的。（二）细胞质在细胞分化中的作用受精卵每次分裂，细胞核物质经过复制倍增，并均等分配到两个子细胞中，而细胞质中组分经过了运动重新改组，不均等地分配到不同的子细胞中，从而直接或间接决定一个胚的主要器官区域的位置，这种细胞质的不均质性对胚胎的早期发育有很大影响，在一定程度上决定了细胞的早期分化。（三）核质的相互作用在细胞分化中的作用 细胞是一个整体，细胞核与细胞质有非常密切的协调关系，在任何的细胞活动中都不能将它们孤立对待。在细胞分化中，细胞核与细胞质的作用是相互的且紧密联系的。细胞质对细胞核有作用，细胞核对细胞质也有反作用，这种相互作用因不同种类、不同地域、不同时期的细胞而异。二、细胞外因素（一）环境因素在细胞分化中的作用 在真核细胞中，细胞的分化也受到环境中各种因子的影响。主要是受细胞微环境的影响，有温度、光线等因素。另外，畸胎瘤（teratoma）就是在异常环境下形成的一种畸胎，即动物的卵细胞偶尔可以未经排卵就被激活，在卵巢中进行异位发育，这时细胞的增殖和分化失控，已分化的毛发、牙、骨、腺上皮等和未分化的干细胞杂乱聚集成无组织的肿块，称畸胎瘤。畸胎瘤的产生就表明环境影响早期胚胎细胞的决定和分化。（二）细胞间的相互作用在细胞分化中的作用1.胚胎诱导 在胚胎发育过程中，一部分细胞对邻近的另一部分细胞产生影响并决定其分化方向的作用称为胚胎诱导（embryonia induction）。对其它细胞起诱导作用的细胞称为诱导者(inductor)或组织者；被诱导发生分化的细胞称为反应细胞。诱导分化现象在动物胚胎发育过程中普遍存在。一般发生在内胚层和中胚层或外胚层和中胚层之间，从诱导的层次上看，可分为初级诱导、次级诱导和三级诱导。2分化抑制 细胞间的相互作用除了有诱导作用外，还有相互抑制分化的作用，在胚胎发育过程中，已分化的细胞抑制邻近细胞进行相同分化而产生的负反馈调节作用，称为分化抑制。例如，将一个正在发育的蛙胚放入一个含有一块成体脑组织的培养液中，则蛙胚不能产生正常的脑，这表明已分化的组织细胞可以产生某些物质，这种物质能抑制邻近细胞同样的分化，以避免相同的器官重复发生。3细胞数量效应 如小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功能的胰腺组织，但如果把胰原基切成8小块分别培养，则都不能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织，可见细胞数量对诱导组织形成是必要的。4细胞外基质 细胞外基质在胚胎发育和细胞分化中具有重要的作用。如干细胞在型胶原和层粘连蛋白上演变为上皮细胞，在型胶原和纤粘连蛋白上形成成纤维细胞，在型胶原及软骨纤粘连蛋白上发育为软骨细胞，可见胶原对干细胞的定向分化有诱导作用。5.激素对细胞分化的作用 在胚胎发育早期细胞质，外环境和胚胎诱导对细胞分化的作用是近距离的，而在胚胎发育晚期或胚后发育中，激素对细胞分化的作用是远距离细胞之间的相互作用的调节因素。激素产生后通过血液循环将特定信息运送到不同部位从而影响细胞的分化，激素作用于基因水平，然后通过对细胞质、细胞群体在形态发生上产生作用，它的作用在于引发靶细胞进行分化。卵巢产生雌激素，睾丸产生雄激素，它们分别促进女性、男性第二性征的发育，可以认为性激素在性细胞分化中起决定性的作用。 第五节 细胞分化与肿瘤细胞 肿瘤细胞的恶性变（malinancy）属于细胞恶性分化。一、肿瘤细胞的增殖特点癌细胞是指那些恶性增殖并且有侵袭性(invasiveness)和广泛转移(metastasis)能力的肿瘤细胞。肿瘤细胞有三个基本特征：恶性增殖，即增殖失控。一般情况下，正常细胞在体外培养瓶中贴壁生长，增殖的细胞达到一定密度，汇合成单层以后即停止分裂，称密度依赖性抑制（densety dependent inhibition，DDI）。肿瘤细胞则失去了接触抑制，它们的增殖并不因细胞密度增殖到相互接触而停止，以至在培养瓶中形成多层堆积。侵袭性，在体内，肿瘤细胞不但增殖失控形成新的肿块（瘤）而且由于代谢失控，分泌破坏细胞外基质的酶，侵袭破坏周围的正常组织。转移性，即通过血管和淋巴管扩散、转移到身体的其它部位滋生继发性肿瘤，形成新的肿块。二、细胞分化与肿瘤细胞的产生细胞的正常增殖受到机体内复杂调控网络的精密调控，当调控系统发生紊乱后，引起细胞异常增殖与持续的分裂，导致肿瘤的发生。研究发现，细胞癌变与癌基因的活动有关。癌基因是控制细胞生长、增殖与分化并具有诱导细胞恶性转化潜能的一类基因。正常情况下，癌基因可维持细胞的生理功能；在致癌因素的作用下，癌基因活化并异常表达（持续表达，过度表达），使细胞持续增殖，导致癌变。除了癌基因外，细胞中还存在一套抑制细胞生长和肿瘤形成的基因，称为抑癌基因。正常情况下抑癌基因在细胞的生长、增殖与分化及持续基因的稳定性等方面起着负调控的作用，并且有潜在的抑癌作用。当抑癌基因发生突变而失活时，其抑癌功能丧失，细胞