細(xì)胞生物學(xué)(第五版)-第14章-細(xì)胞分化與干細(xì)胞

第14章細(xì)胞分化與干細(xì)胞細(xì)胞生物學(xué)（第5版）主編

丁明孝

王喜忠張傳茂

陳建國(guó)

本章主要內(nèi)容第一節(jié)細(xì)胞分化第二節(jié)干細(xì)胞第一節(jié)細(xì)胞分化多細(xì)胞有機(jī)體由各種不同類型的細(xì)胞組成，這些細(xì)胞通常是一個(gè)受精卵細(xì)胞經(jīng)增殖分裂和細(xì)胞分化衍生而來(lái)。細(xì)胞分化是指在個(gè)體發(fā)育中，由一種細(xì)胞類型經(jīng)細(xì)胞分裂后逐漸在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上形成穩(wěn)定性差異，產(chǎn)生不同的細(xì)胞類群的過(guò)程。一、細(xì)胞分化的基本概念絕大多數(shù)細(xì)胞分化不是因?yàn)檫z傳物質(zhì)的丟失，而是由于細(xì)胞選擇性地表達(dá)各自特有的專一性蛋白質(zhì)而導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能的差異（一）細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果管家基因:又稱持家基因，是指所有細(xì)胞中均要穩(wěn)定表達(dá)的一類基因，其產(chǎn)物是對(duì)維持細(xì)胞基本生命活動(dòng)所必需的。如微管蛋白基因、糖酵解酶系基因與核糖體蛋白基因等。管家基因始終保持著低水平的甲基化并且一直處于活性轉(zhuǎn)錄狀態(tài)。組織特異性基因：指不同的細(xì)胞類型進(jìn)行特異性表達(dá)的基因，其產(chǎn)物賦予各種類型細(xì)胞特異的的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與特異的生理功能。（二）管家基因/組織特異性基因組合調(diào)控概念：有限的少量調(diào)控蛋白啟動(dòng)為數(shù)眾多的特異細(xì)胞類型的分化（三）組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達(dá)體外培養(yǎng)的成纖維細(xì)胞(來(lái)自皮膚結(jié)締組織)關(guān)鍵性調(diào)控蛋白MyoD成纖維細(xì)胞表現(xiàn)出骨骼肌細(xì)胞的特征:表達(dá)大量的肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白構(gòu)成收縮器，并融合成肌細(xì)胞樣的多核細(xì)胞等。顯然在成纖維細(xì)胞中已經(jīng)具備了肌細(xì)胞特異性基因表達(dá)所需要的其他必要調(diào)控蛋白，一旦加入MyoD后，即形成了啟動(dòng)肌細(xì)胞分化的特異的調(diào)控蛋白組合。一種在成肌細(xì)胞分化為骨骼肌細(xì)胞過(guò)程中的關(guān)鍵調(diào)控蛋白在發(fā)育的早期，把果蠅ey基因轉(zhuǎn)入到將發(fā)育成腿的幼蟲細(xì)胞中表達(dá)，結(jié)果誘導(dǎo)產(chǎn)生構(gòu)成眼的不同類型細(xì)胞的三維組合，最終在腿的中部形成眼。（四）單細(xì)胞有機(jī)體的細(xì)胞分化黏菌繁殖過(guò)程示意圖細(xì)胞分化并非多細(xì)胞有機(jī)體獨(dú)有的特征，單細(xì)胞生物甚至原核生物也存在細(xì)胞分化。此過(guò)程中，許多生物的卵裂按照嚴(yán)格的圖式進(jìn)行，且各類細(xì)胞產(chǎn)生的時(shí)間、順序、位置和類型，在發(fā)育的早期就已確定。（六）轉(zhuǎn)分化與再生（五）轉(zhuǎn)分化與再生（一）受精卵細(xì)胞質(zhì)的不均一性對(duì)細(xì)胞分化的影響眼的發(fā)生示意圖近旁組織的誘導(dǎo)互相作用正常情況下，早期的視泡誘導(dǎo)與之接觸的外胚層上皮細(xì)胞發(fā)育成晶狀體，隨后在視泡和晶狀體的共同誘導(dǎo)下，外側(cè)的表皮細(xì)胞形成角膜。如果把早期的視泡移植在頭部其他部位，也可誘導(dǎo)與之接觸的外胚層發(fā)育成晶狀體（二）胞外信號(hào)分子及細(xì)胞的位置信息決定細(xì)胞分化的命運(yùn)近端組織相互作用主要是通過(guò)信號(hào)分子改變靶細(xì)胞的分化方向。細(xì)胞能夠接收到哪些類型的信號(hào)分子，取決于細(xì)胞在胚胎或成體中所處的空間位置。根據(jù)信號(hào)細(xì)胞和靶細(xì)胞的距離，可分為短程誘導(dǎo)(相距5-10個(gè)細(xì)胞)和長(zhǎng)程誘導(dǎo)(相距超過(guò)5-10個(gè)細(xì)胞）。上皮生長(zhǎng)因子（EGF）和成纖維生長(zhǎng)因子（FGF）等家族成員屬于短程誘導(dǎo)，TGFβ和Wnt等家族成員屬于長(zhǎng)程誘導(dǎo)。Hedgehog通常被認(rèn)為是短程信號(hào)分子，在某些情況下起著長(zhǎng)程信號(hào)分子的作用。細(xì)胞分化與3個(gè)胚層發(fā)生的分子機(jī)制的示意圖近年來(lái)，通過(guò)對(duì)胚胎干細(xì)胞，包括人胚胎干細(xì)胞在內(nèi)的細(xì)胞定向分化的研究顯示：細(xì)胞分化與3個(gè)胚層發(fā)生這一復(fù)雜的過(guò)程，不僅依賴于各種信號(hào)分子的組合和濃度，也與細(xì)胞相互間的位置密切相關(guān)，細(xì)胞所處的位置即細(xì)胞的微環(huán)境對(duì)細(xì)胞狀態(tài)的維持及分化的命運(yùn)起到關(guān)鍵作用。果蠅幼蟲的成蟲盤（imaginaldisc)是一些未分化的細(xì)胞群,在幼蟲變態(tài)過(guò)程中，不同的成蟲盤發(fā)育為成蟲不同的器官。（三）細(xì)胞記憶與決定信號(hào)分子的有效作用時(shí)間是短暫的，然而細(xì)胞可以將這種短暫的作用儲(chǔ)存起來(lái)并形成長(zhǎng)時(shí)間的記憶，逐漸向特定方向分化。

細(xì)胞的記憶與細(xì)胞決定有關(guān),細(xì)胞決定指在發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞在出現(xiàn)可識(shí)別的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能差異之前，其分化方向已由內(nèi)外因素確定的現(xiàn)象。“決定”早于分化，細(xì)胞能將短暫的“決定”儲(chǔ)存下來(lái)，形成長(zhǎng)時(shí)間的“記憶”。細(xì)胞的記憶可能通過(guò)2種方式實(shí)現(xiàn)1.正反饋途徑，即細(xì)胞接受信號(hào)刺激，激活轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，該因子不僅誘導(dǎo)自身基因的表達(dá)，還誘導(dǎo)其他組織特異性基因的表達(dá)。2.染色體結(jié)構(gòu)變化（DNA與蛋白質(zhì)相互作用及其修飾）的信息傳到子代細(xì)胞染色質(zhì)變化主要包括：基因丟失，基因擴(kuò)增，基因重排，DNA甲基化基因重排：基因與基因間的位置或順序發(fā)生重新排列組合。如B淋巴細(xì)胞分化為漿細(xì)胞的過(guò)程中，它的DNA經(jīng)過(guò)斷裂重排的變化,這有利于其利用有限的免疫球蛋白基因表達(dá)大量的抗體?？傊殡S染色質(zhì)變化及基因重排，細(xì)胞分化也出現(xiàn)變化。（四）染色質(zhì)變化與基因重排對(duì)細(xì)胞分化的影響一、干細(xì)胞的概念和分類干細(xì)胞是機(jī)體中能進(jìn)行自我更新（產(chǎn)生與自身相同的子代細(xì)胞）和多向分化潛能（分化形成不同細(xì)胞類型）的一類細(xì)胞。因此，它們?cè)诩?xì)胞分化和個(gè)體發(fā)育中起著關(guān)鍵和決定性的作用。第二節(jié)干細(xì)胞多莉羊的克隆動(dòng)物克隆技術(shù)的基本理論問(wèn)題是體細(xì)胞的重編程問(wèn)題，即已分化的染色質(zhì)如何通過(guò)重新“編程”回到初始未分化的細(xì)胞狀態(tài)，然后才有可能沿正常的發(fā)育程序分化成各種類型的細(xì)胞如蛙skin細(xì)胞核移植后發(fā)育成蝌蚪Dolly羊的誕生說(shuō)明高度分化的哺乳動(dòng)物體細(xì)胞核也具有發(fā)育全能性以上證明了即使是哺乳動(dòng)物終末分化的細(xì)胞，也可以通過(guò)細(xì)胞重編程逆轉(zhuǎn)成為具有全能性的干細(xì)胞。二、胚胎干細(xì)胞指從原始生殖細(xì)胞或著床前的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)獲得的一種具有多潛能性、可發(fā)育成為各種細(xì)胞、同時(shí)可保持不分化狀態(tài)而持續(xù)生長(zhǎng)的克隆細(xì)胞系。體外培養(yǎng)的人胚胎干細(xì)胞人類治療性克隆與再生醫(yī)學(xué)的設(shè)想基于人胚胎干細(xì)胞系的建立和克隆羊的成功，2001年B.Haseltine提出了再生醫(yī)學(xué)的概念，旨在將治療性克隆技術(shù)與人胚胎干細(xì)胞的制備相結(jié)合，利用體外構(gòu)建的自身組織與器官來(lái)使患者得以康復(fù)的新的治療理念，極大地促進(jìn)了干細(xì)胞體外定向分化及其相關(guān)領(lǐng)域研究的發(fā)展。三、成體干細(xì)胞生物成體中，多數(shù)細(xì)胞都是具有一定壽命，生物體需要產(chǎn)生足夠的各種不同類型的細(xì)胞，以維持機(jī)體的代謝平衡。這一工作主要由存在于各種組織和器官中的成體干細(xì)胞完成，其基本功能是分化產(chǎn)生某些類型的終末分化細(xì)胞。成體干細(xì)胞的特征祖細(xì)胞可以快速分裂，形成各種分化細(xì)胞。與干細(xì)胞不同，祖細(xì)胞只有有限的分裂次數(shù)。多能干細(xì)胞（造血干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞等）屬于成體干細(xì)胞的范疇，其分化的潛能是有限的，一般局限于分化產(chǎn)生同一胚層的細(xì)胞類型。單能干細(xì)胞僅能分化產(chǎn)生一種或幾種類型的細(xì)胞，如生殖嵴干細(xì)胞長(zhǎng)期造血干細(xì)胞：存在于成體骨髓特定的微環(huán)境中，數(shù)量較少，具有極強(qiáng)的自我更新能力，在維持機(jī)體終生造血過(guò)程中起主要作用。長(zhǎng)期造血干細(xì)胞在骨髓中可以分化成短期造血干細(xì)胞。短期造血干細(xì)胞只具備有限的自我更新能力，只能在一定時(shí)期內(nèi)維持機(jī)體的造血機(jī)能。短期造血干細(xì)胞可以繼續(xù)分化成多能前體祖細(xì)胞，進(jìn)一步分化成共同淋巴系前體祖細(xì)胞，或共同髓系前體祖細(xì)胞。只有造血干細(xì)胞具有重建整個(gè)造血系統(tǒng)的能力，祖細(xì)胞盡管數(shù)量很多，卻沒(méi)有這個(gè)能力。（一）造血干細(xì)胞成體哺乳動(dòng)物的造血干細(xì)胞大部分存在于骨髓中，骨髓移植實(shí)質(zhì)上是造血干細(xì)胞的移植。多數(shù)造血干細(xì)胞處于靜息態(tài)G0期，只有小部分處于比較活躍的細(xì)胞分裂狀態(tài)。造血干細(xì)胞逐級(jí)分化為各種類型的血細(xì)胞（二）神經(jīng)干細(xì)胞胚胎發(fā)育早期，神經(jīng)管由一單層細(xì)胞組成，這單層細(xì)胞就是胚胎神經(jīng)干細(xì)胞（三）腸干細(xì)胞四、細(xì)胞命運(yùn)重編程與誘導(dǎo)性多潛能干細(xì)胞隨著發(fā)育的進(jìn)行，細(xì)胞的分化潛能不斷喪失，由全能性到多能性、單能性，直到形成特定終末分化的細(xì)胞類型。長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為這是一個(gè)不可逆的過(guò)程，細(xì)胞命運(yùn)一旦最終決定就無(wú)法更改。后經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)：終末分化細(xì)胞的命運(yùn)是可以通過(guò)細(xì)胞重編程改變的。近年來(lái)，利用具有生物活性的化學(xué)小分子提高重編程效率以至完全替代轉(zhuǎn)錄因子，成為新一代細(xì)胞重編程技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)?；瘜W(xué)小分子操作簡(jiǎn)單、容易通過(guò)細(xì)胞膜、作用可逆，可以利用不同化學(xué)小分子的組合及合適的處理時(shí)間和濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)某些特異蛋白的激活或抑制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞重編程的精確調(diào)控。2013年我國(guó)鄧宏魁實(shí)驗(yàn)室首次實(shí)現(xiàn)通過(guò)小分子化合物組合，成功誘導(dǎo)小鼠體細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槎酀撃芨杉?xì)胞，稱為“化學(xué)誘導(dǎo)的多潛能干細(xì)胞”（CiPS）。五、譜系重編程除了將人胚胎干細(xì)胞或iPS細(xì)胞等多潛能性干細(xì)胞分化為特定的體細(xì)胞，用于再生醫(yī)學(xué)研究外，譜系間的重編程也受到人們極大的關(guān)注。人的胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)分化成胰