高中生物《細(xì)胞分化、衰老和凋亡》素材3 蘇教版必修1

1、第2節(jié) 細(xì)胞的分化干細(xì)胞分化路徑存在差異性由于用途的無限可能，干細(xì)胞被賦予了“全能”的榮譽(yù)。那么，干細(xì)胞究竟能夠分化成什么，怎樣進(jìn)行分化，走哪條路到達(dá)分化終點(diǎn)，這些過程又是由哪些因素決定的呢？ 傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為細(xì)胞進(jìn)行分化時，路徑和目的地是統(tǒng)一的，由固定的細(xì)胞信號通路決定。然而來自5月底英國自然（Nature）雜志的一項(xiàng)新的研究報告表明，干細(xì)胞分化路徑是通過基因的選擇性行為形成的一系列分化網(wǎng)絡(luò)路徑，但是分化終點(diǎn)卻是相對固定的。研究人員用了一個形象的比喻：就如同山上的一塊石頭能夠通過無限可能的路徑下山，但是最終只能到達(dá)同一個山谷。 該項(xiàng)研究由美國波士頓兒童醫(yī)院動脈生物項(xiàng)目的黃穗（音譯）副教授領(lǐng)導(dǎo)，由

2、醫(yī)學(xué)博士張漢納（音譯）協(xié)助完成。 細(xì)胞特性決定分化目的地 通過詳細(xì)研究造血干細(xì)胞是分化成白細(xì)胞前體還是紅細(xì)胞前體的各種相關(guān)因素，研究人員得出了上述結(jié)論。首先他們通過檢驗(yàn)典型的血液干細(xì)胞群，發(fā)現(xiàn)了一種普遍存在于干細(xì)胞中的細(xì)胞標(biāo)記Sca-1蛋白，該蛋白在每個細(xì)胞中的濃度都不盡相同，甚至有1000倍之多的差距。有人認(rèn)為Sca-1蛋白含量低的細(xì)胞就會進(jìn)行自動分化。然而當(dāng)研究人員根據(jù)蛋白含量將細(xì)胞分為高、中、低三個種類并進(jìn)行培養(yǎng)研究時發(fā)現(xiàn)，不同類型的細(xì)胞派生的細(xì)胞群落通過9天或9天以上的培養(yǎng)蛋白含量將趨于相同。 黃穗說，于是我們提出疑問，這些細(xì)胞的分化方向也相同嗎？然而，進(jìn)一步研究證明它們在分化過程中明

3、顯不同。研究表明，在紅細(xì)胞生成素的刺激下，Sca-1蛋白含量低的血液干細(xì)胞分化成紅細(xì)胞前體的機(jī)會比Sca-1蛋白含量高的干細(xì)胞高7倍。相反，干細(xì)胞在粒細(xì)胞巨噬細(xì)胞刺激因子（一種白細(xì)胞生成刺激因子）的作用下，那些Sca-1蛋白含量高的干細(xì)胞更容易變成白細(xì)胞。 研究人員還對轉(zhuǎn)錄因子GATA1和PU.1進(jìn)行了研究，它們分別促進(jìn)干細(xì)胞轉(zhuǎn)變成紅細(xì)胞和白細(xì)胞。結(jié)果表明Sca-1蛋白含量低的血液干細(xì)胞（更傾向于轉(zhuǎn)變成紅細(xì)胞）擁有比其它兩類細(xì)胞更多的GATA1；相對應(yīng)地，Sca-1蛋白含量最高的血液干細(xì)胞（更傾向于轉(zhuǎn)變成白細(xì)胞）擁有最高濃度的PU.1。 黃穗之前進(jìn)行的一項(xiàng)研究也證明了這個結(jié)論：一個特定細(xì)胞可以

4、表現(xiàn)出與眾不同的基因行為，選擇一個特別的“下山路徑”，但是最終它仍然和它的同類細(xì)胞一樣分化成同種細(xì)胞，到達(dá)同一個山谷。黃穗和他的研究小組將細(xì)胞前體暴露在兩個完全不同的藥液中：DMSO和視黃酸，密切關(guān)注細(xì)胞的基因表達(dá)情況，盡管使用激素不同，在整個7天的分化過程中，它們的分子路徑和基因的表達(dá)情況都完全不同，但是兩組細(xì)胞最終都分化成了嗜中性白血球。 生物體中的穩(wěn)定態(tài) 更重要的是，在三類細(xì)胞組中的Sca-1、GATA1和PU.1含量并不是保持不變的，經(jīng)過一段時間后，它們之間的區(qū)別將不再明顯，細(xì)胞分化的傾向性也會隨之不斷變化，這也表明，細(xì)胞間的不同是暫時的。 研究人員還用基因芯片檢測了細(xì)胞的整個基因組。

5、基因水平的實(shí)驗(yàn)同樣證實(shí)了三類細(xì)胞組間的區(qū)別是可以變化的。在高低水平不同的細(xì)胞組中存在著多于3900個基因的表達(dá)差異，這些差異同樣是可以變化的，并會隨著時間而不斷消失高、低含量的兩類細(xì)胞的基因活動越來越像中間含量的細(xì)胞組。 研究發(fā)現(xiàn)，基因行為的循環(huán)以及細(xì)胞狀態(tài)的波動最終都是為了將細(xì)胞保持在一個穩(wěn)定狀態(tài)，為它們在條件合適時進(jìn)行分化做好準(zhǔn)備。此次發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了生物學(xué)家以往對于生物體活動的印象。與物理學(xué)中的能態(tài)相似，生物系統(tǒng)同樣傾向于維持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。在這種情況下，血液干細(xì)胞更傾向于保持干細(xì)胞的狀態(tài)，然而當(dāng)它們經(jīng)歷過基因活動以及蛋白生產(chǎn)等波動后，先前平衡好的穩(wěn)定態(tài)被顛覆到另一個穩(wěn)定態(tài)中，于是它們轉(zhuǎn)

6、變成白細(xì)胞或者血紅細(xì)胞的前體。在平衡的顛覆中，一些特別的生長因子起到了一定的作用，但這些因子只是誘導(dǎo)細(xì)胞分化全部因素中的一部分。 張漢納的合作者唐納德英伯解釋說，生長和分化因子僅僅增加了細(xì)胞生長和分化的可能性，而細(xì)胞分化本身是整個細(xì)胞群的特質(zhì)，一個石頭到達(dá)山下最終都會抵達(dá)山谷，但是到達(dá)哪一個山谷取決于地形的形狀。也就是說，細(xì)胞分化成什么取決于其本身的特質(zhì)，而它走的路徑，是它在繼承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)制的同時，進(jìn)行的一個選擇性的行為。 張漢納說，自然創(chuàng)造出一種最優(yōu)化最簡單的方式以滿足其多樣性的要求，并將其保持到一個穩(wěn)定的水平，使細(xì)胞能夠以一種系統(tǒng)、可控的方式來應(yīng)答其所處環(huán)境的變化。 實(shí)踐指導(dǎo)提高效率

7、 這項(xiàng)研究也給了干細(xì)胞生物學(xué)家一點(diǎn)新的啟示，他們將可能需要考慮改變一下當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用的干細(xì)胞分化方式。黃穗表示，目前應(yīng)用的分化方式并不高效，只有10%50%的細(xì)胞對激素或其他物質(zhì)的作用產(chǎn)生反應(yīng)。這是由于細(xì)胞間的區(qū)別與生俱來，不同的細(xì)胞對不同的物質(zhì)反應(yīng)不同，所以人們發(fā)明了更多復(fù)雜激素的混合物，但是我們可以利用細(xì)胞的區(qū)別分辨出那些已經(jīng)準(zhǔn)備好分化的細(xì)胞使得分化過程更高效。張漢納完成的后續(xù)工作表明，通過選擇適當(dāng)?shù)母杉?xì)胞亞群，采用正確的方法刺激，分化效率會得到大幅度的提高。他表示，我并沒有做任何復(fù)雜的工作，只是利用了自然本來有的。 黃穗認(rèn)為，上述地形類比和選擇性決定的概念都不是生物學(xué)家所熟悉的，他們更傾向于單個基因以線性路徑的方式發(fā)生行為，這