南农 细胞生物学 10

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第十二章细胞分化与基因表达调控

多细胞有机体是由各种不同类型的细胞组成的(表12—1)，而这些细胞又都是由一个受精卵细胞经增殖分裂和细胞分化衍生而来的后裔。在个体发育中，由一种一致的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程称为细胞分化(celldifferentiation)。细胞分化是多细胞有机体发育的基础与核心，细胞分化的关键在于特异性蛋白质的合成，而特异性蛋白质合成的实质在于基因选择性表达。正由于如此，本章的主题才定为细胞分化与基因表达调

表12几种生物的细胞数目与类型细胞类型

在个体正常发育过程中，通过有控制的细胞分裂而增加细胞数目，通过有序的细胞分化而增加细胞类型，进而由不同类型的细胞构成生物体的组织与器官，执行不同的功能。显然，细胞分化为某种细胞类群通过相互协同作用完成各种繁杂特别的生物学功能，为生命向更高层次的发展与进化奠定了基础。尽管分化的细胞类型千差万别，但究其本质却是基因组保持一致而表达的基因有所不同，从而在形态结构、生理功能及生物学行为方面均有所不同。细胞分化过程往往伴随着细胞增殖与细胞凋亡，分化细胞的最终归宿往往是细胞的衰弱和死亡。

细胞癌变是细胞分化领域中的一个特别问题，由于肿瘤细胞可以看做是正常细胞分化机制失控的细胞，成为不衰弱的永生细胞，丧失分化细胞的正常生理功能，形态上趋于一致，表现出某些未分化细胞的特征(有人称之为“去分化〞)。然而肿瘤细胞的基因组却不同程度地发生了改变，其结果是正常机体的构建受到破坏，并丧失了相应的正常生物学功能。第一节细胞分化

一、细胞分化的基本概念

(一)细胞分化是基因选择性表达的结果

早期人们推测细胞分化是由于细胞在发育过程中遗传物质的选择性丢失所致。现代分子生物学的证据说明，细胞分化是由于基因选择性的表达各自特有的专一性蛋白质而导致细胞形态、结构与功能的差异。如鸡的输卵管细胞合成卵清蛋白，成红细胞合成?珠蛋白，胰岛细胞合成胰岛素，这些细胞都是在个体发育过程中逐渐产生的。用编码上述三种蛋白的基因分别作探针，对三种细胞中提取的总DNA的限制性酶切片段进行Southern杂交试验。结果显示，上述三种细胞的基因组DNA中均存在卵清蛋白基因、??珠蛋白基因和胰岛素基因(表12—2)；然而用同样的三种基因片段作探针，对上述三种细胞中提取的总RNA进行Northern杂交试验，结果说明，仅在输卵管细胞中表达卵清蛋白mRNA，而成红细胞中表达?珠蛋白mRNA，胰岛细胞中表达胰岛素mRNA(表表12—2)

上述结果说明，不同类型的细胞在发育过程中表达一套特异的基因，其产物不仅决定细胞的形态结构，而且执行各自的生理功能。

(二)组织特异性基因与管家基因

细胞分化是通过严格而缜密调控的基因表达实现的。分化细胞基因组中所表达的基因大致可分为两种基本类型：一类是管家基因(house-keepinggenes)；另一类称为组织特异性基因(tissue-specificgenes)，或称奢靡基因(1uxury

genes)。管家基因是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的。如微管蛋白基因、糖酵解酶系基因与核糖体蛋白基因等。而组织特异性基因是指不同的细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的生理功能。如卵清蛋白基因、上皮细胞的角质蛋白基因和胰岛素基因等。

此外，有人还进一步分出一类调理基因(regulatorygene)，其产物用于调理组织特异性基因的表达，或者起激活作用，或者起阻抑作用。

因此，细胞分化的实质是组织特异性基因在时间与空间上的差异表达(differentialexpress)。这种差异表达不仅涉及到基因转录水平和转录后加工水平上的确切调控，而且还涉及染色体和DNA水平，翻译和翻译后加工与修饰水平上的繁杂而严格的调控过程。应用mRNA差异显示法，DNA减法杂交和EST技术可在不同程度上分析分化细胞中的组织特异性基因。这方面也是后基因组学或功能基因组学研究的主要内容之一。

(三)组合调控引发组织特异性基因的表达。

人体至少有200多种(有的学者认为有500种以上)不同类型的细胞。假使每种类型的细胞分化都需要一种基因表达调控蛋白的话，那么至少需要200种以上的调控蛋白，然而实际上是有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化。其机制就是组合调控(combinationalcontr01)的方式，即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同调控完成的。这样，假使调控蛋白的数目是n〞，则其调控的组合在理论上就可以启动分化的细胞类型为2n〞(图12—1)。

A、B、C为不同的调控蛋白当有三种调控蛋白存在时，则不同的组合就可能启动八种不同细胞类型的分化。然而在启动细胞分化的各类调控蛋白组合中，其中往往是只有一两种调控蛋白是起决定性的因子。这样，单一调控蛋白就有可能启动整个的细胞分化过程。最明显的例子是在成肌细胞分化为骨骼肌细胞的过程中，一种关键性调控蛋白MyoD在体外培养的成纤维细胞中表达，结果使来自皮肤结缔组织的成纤维细胞表现出骨骼肌细胞的特征，如表达大量的肌动蛋白和肌球蛋白并构成收缩器，在质膜上产生对神经刺激敏感的受体蛋白和离子通道蛋白，并融合成肌细胞样的多核细胞等。显然在成纤维细胞中已经具备了肌细胞特异性基因表达所需要的其他必要调控蛋白，一旦参与MyoD后，即形成了启动肌细胞分化的特异的调控蛋白组合。

借助于组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与其他调控蛋白形成适当的调控蛋白组合，不仅可以将一种类型的细胞转化成另一种类型的细胞，而且遵循类似的机制，甚至可以诱发整个器官的形成。这一点已在研究果蝇、小鼠和人眼发育中得到证明。

在眼器官的发育中，有一种关键性调控蛋白称Ey(果蝇)或Pax(脊椎动物)。如将果蝇ey基因转入到早期发育中将发育成腿的细胞中表达，结果纠基因的异常表达最终诱导产生构成眼的不同类型细胞的有序三维组合，在腿的中部形成眼。显然Ey蛋白除了能启动细胞某些特异基因的表达，诱导某类细胞分化外，其启动的某些基因表达产物本身可能又是另一些基因的调控蛋白，它们进一步启动其他特异基因的表达，诱导分化更多的细胞类型，形成由多种不同类型细胞组

成的有序三维细胞群体即导致器官形成。

这种仅靠一种关键性调控蛋白通过对其他调控蛋白的级联启动，是一种令人诧异的高效而经济的细胞分化启动机制。繁杂的有机体正是通过这一原则的重复运用逐渐完成形态建成的。

(四)单细胞有机体的细胞分化

细胞分化并非多细胞有机体独有的特征。单细胞生物甚至原核生物也存在细胞分化问题。如枯草杆菌芽孢的形成，啤酒酵母单倍体孢子的形成及萌发形成的?和a两种交配型。特别是粘菌(如盘形网柱粘菌Dictyosteliumdis—coideum)在孢子形成过程中，由单细胞变形体形成的蛞蝓形假原质团(pseudo—plasmodium)，并进一步分化成为柄和孢子的过程，均涉及一系列特异基因的表达。这也是研究低等生物体细胞分化很好的材料。然而与多细胞有机体细胞分化的不同之处是：前者多为适应不同的生活环境，而后者则通过细胞分化构建执行不同功能的组织与器官。因此，多细胞有机体在其分化程序与调理机制方面显得更为繁杂。

(五)转分化与再生一种类型的分化细胞转变成另一种类型的分化细胞的现象称转分化(trans—differentiation)，如水母横纹肌细胞经转分化可形成神经细胞、平滑肌细胞、上皮细胞，甚至可形成刺细胞。分化程度低的神经干细胞也可形成骨髓细胞和淋巴样细胞。转分化往往经历去分化(dedifferentiation)和再分化(redifferentiation)的过程。去分化又称脱分化，是指分化细胞失去其特有的结构与功能变成具有未分化细胞特征的过程。植物的体细胞在一定条件下形成未分化细胞群的细胞团——愈伤组织，即为去分化现象。愈伤组织可进一步诱导其再分化形成根和芽的顶端分生组织的细胞，并最终长成植株。

生物界普遍存在再生现象(regeneration)，广义的再生可包括分子水平、细胞水平、组织与器官水平及整体水平的再生。但一般再生是指生物体缺失一部分后发生重建的过程，如幼体蟾蜍肢体切除后，伤口处部分细胞凋亡，多数细胞(包括皮肤、肌肉、软骨和其他结缔组织的细胞)经去分化形成间充质或纤维细胞样的细胞团——再生芽基(regenerationblastema)，芽基细胞再分化形成以有序方式排列的从肱骨直至指骨的完整肢体，这一过程显然由同源异型基因的表达模式所调控。

另一典型的例子是沃尔夫晶体的再生(Wolftianlensregeneration)，若将发育中的蝾螈晶状体摘除，其后面的虹膜上含黑色素的平滑肌细胞就会去分化，失去黑色素和肌纤维，然后再分化或转分化成为产生晶状体蛋白的晶状体细胞。不同的多细胞有机体，其再生能力有明显的差异，一般来说，植物比动物再生能力强，低等动物比高等动物再生能力强。从水螅中部切下仅占体长5％的部分，便可长成完整的水螅；而两栖类却只能再生形成断肢；人和其他高等动物只具有组织水平(除肝脏外)的再生能力。再生能力寻常随个体年龄增大而下降。

再生现象又从另一个侧面反映了细胞的全能性。在不同物种中，细胞分化状态的可塑性有很大不同。DNA的复制有利于重新编程和获得新的分化状态。当然，在再生过程中，有些细胞并不涉及转分化，如肝细胞只是从Go期进入细胞周期。

此外，再生过程也不能完全排除储存的多能干细胞的参与。

二、影响细胞分化的因素

通过组合调控的方式启动组织特异性基因的表达是细胞分化的基本机制。因此有必要从细胞的基因组人手来了解与分析影响细胞分化的因素。(一)细胞的全能性细胞全能性(totipotency)是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性，称为细胞的全能性。受精卵及早期的胚胎细胞都是具有全能性的细胞。植物的体细胞在适合的条件下可培育成正常的植株，这不仅是细胞全能性的有力证据，而且也广泛地应用在植物基因工程的实践中。然而对动物细胞特别是高等动物细胞随着胚胎的发育，细胞逐渐丧失了发育成个体的能力，仅具有分化成有限细胞类型及构建组织的潜能，这种潜能称为多潜能性(pluripotency)。具有多潜能性的细胞称为干细胞(stemcell)，如小鼠胚胎发育的囊胚期的原始内层细胞称为胚胎干细胞(embryostemcell)；成体中具有分化成多种血细胞能力的细胞称多能造血干细胞(图12—2)，它在造血器官骨髓中仅占细胞数的万分之一；仅具有分化形成某一种类型能力的细胞，称为单能干细胞(monopotentialcell)或称定向干细胞(directionalstemcell)。由定向干细胞最终形成特化细胞类型的过程称为终末分化(terminaldifferentiation)。一般状况下，在整个发育过程中，细胞分化潜能逐渐受到限制而变窄，即由全能性细胞转化为多能和单能干细胞。但是对于细胞核而言，却始终保持其分化的全能性。早期利用两栖类动物进行核移植试验证明，将蛙的囊胚期细胞甚至蝌蚪的已经分化为肠上皮细胞的细胞核植入去核的卵子中，则可发育成蝌蚪甚至成蛙。随后，类似的试验在小鼠中也获得成功。这样用有限分化细胞的细胞核进行移植试验，证明白细胞核的全能性。显示出在分化过程中，绝大多数细胞均保持其完整的基因组或染色体组不变。

1997年将羊的乳腺细胞的细胞核植入去核的羊卵子中，成功地克隆了多莉羊，进一步证明白即使是终末分化的细胞，其细胞核也具有全能性。然而与植物细胞不同，高等动物的体细胞至今仍不能形成一个完整的个体，它不仅显示高等动物细胞分化的繁杂性，而且也说明卵细胞的细胞质对细胞分化的重要作用。近年来，在体外由胚胎干细胞诱导分化成造血细胞、神经细胞、肌肉细胞以及神经干细胞可诱导分化成各种血细胞等一系列的研究结果，不仅加深了对细胞全能性和细胞分化机制的了解，而且在细胞治疗及用于组织与器官移植的组织工程(tisueenengineering)的研究与实践中都具有重要意义。(二)影响细胞分化的因素

细胞中组织特异性基因的选择性表达主要是由调控蛋白所启动。调控蛋白的组合是影响细胞分化的主要的直接因素。一般来说，这种影响主要受胞外信号系统的调控，而胞外信号甚至细胞微环境的调控又是通过细胞自身的因素如胞内因素、细胞位置等起作用的。在好多物种中影响细胞分化的胞内因素可以追溯到单细胞受精卵中细胞质的作用。此外，外部的环境对某些物种细胞分化乃至个体发育也会产生很大的影响。

1．胞外信号分子对细胞分化的影响

在研究早期胚胎发育过程中发现，一部分细胞会影响周边细胞使其向一定方向分化，这种作用称近端组织的相互作用(promixatetissueinteraction)，也称为胚胎诱导。其中一个典型的例证就是在眼的发生中本身的逐级诱导过程。正常状况下，早期的视泡诱导与之接触的外胚层上皮细胞发育成晶状体，随后在视泡和晶状体的共同诱导下外面的表皮细胞形成角膜。假使把早期的视泡移植在头部的其他部位，同样可诱导与之接触的外胚层发育成晶状体。

近端组织的相互作用是通过细胞旁分泌产生的信号分子旁泌素(又称细胞生长分化因子)来实现的。已知它包括成纤维细胞生长因子(fibroblastgrowthfactor，FGF)、转化生长因子(transforminggrowthfactor，TGF)以及hedgehog家族、Wnt家族和Juxtacrine等五大家族因子。与激素一样，它们都是影响细胞分化的重要的信号分子。

另一种远距离细胞间相互作用对细胞分化的影响主要是通过激素来调理的。如无尾两栖类的蝌蚪变态过程中，尾部退化及前后肢形成等变化是由甲状腺分泌的甲状腺素和三碘甲状腺氨基酸的分泌增加所致。昆虫变态过程主要是由20—羟蜕皮素和保幼素共同调控的。人体血细胞定向分化也受到多种细胞因子的调控。2．细胞记忆与决定

信号分子的有效作用时间是短暂的，然而细胞可以将这种短暂的作用储存起来并形成长时间的记忆，逐渐向特定方向分化。果蝇的成虫盘(imaginaldisc)是一些初级分化的细胞群，而在幼虫变态过程中，不同的成虫盘发育为成虫不同的器官，如腿、翅和触角等。人们曾把果蝇的变态前幼虫的成虫盘细胞植入成虫体内，连续移植9年，细胞增殖多达18