细胞分化

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  细胞分化汉语拼音:Xibao Fenhua;英语:Cell Differentiation),同一来源的细胞逐渐发生各自特有的形态结构、生理功能和生化特征的过程。生命的重要特征,也是生命在自然环境中适应环境,维持生存和繁衍后代的基本条件之一。一个受精卵不断增殖、发育和分化,从一个同一性质的细胞变成200多种形态、生化组成各异,功能不同,空间分布千变万化的细胞组成的个体。其形态、生化、功能及空间分布也均随时间的推移而变化,这就是分化过程。

  细胞分化是发育生物学的研究课题之一,指的是在多细胞生物中,一个干细胞在分裂的时候,其子细胞的基因表达受到调控,例如DNA甲基化,变成不同细胞类型的过程。类如全能(totipotent)的受精卵在分裂到一定程度时,其子细胞就会开始向特定的方向分化,形成胎儿的肌肉,骨骼,毛发等器官。分化后的细胞在其结构,功能上都会出现差异,而且成为了所谓的“单能性”细胞(unipotent),就是其只能分裂得出同等细胞类型的子细胞。但是所有这些子细胞的基因组(Genome)却是与“祖宗”的干细胞一样的。研究细胞分化,对理解疾病的发生,如癌症的出现有着重要意义。

  动物受精卵经过卵裂形成囊胚,这时期主要是细胞数量增加,以后经过一系列形态发生运动形成内、中、外三个胚层,进而分化成各种细胞组织及器官。从分子水平,分化形成的各种特化细胞,产生专一的蛋白质。如红细胞产生血红素,肌肉细胞产生肌球蛋白和肌动蛋白,眼的水晶体合成晶体蛋白。从而使它们具有了各自相应的运输氧气,收缩和视觉功能。分化实质上是基因的选择性表达和调控。

特点

  细胞分化不仅是多细胞生物的特征,单细胞生物也有分化,但不是分化成细胞间的差异。如单细胞原生生物,有的也可以分化出眼点、口器等。细胞分化所发生的变化是稳定的,一旦受到某种因素的刺激就会向一定方向分化。而且变化是稳定的,是不可逆的,不因某种刺激的消失而逆转,并可保持这种“记忆”,通过细胞分裂而继续下去。细胞在分化之前,即尚未出现形态、生化和功能的改变之前,已经发生了决定分化的细胞团(即细胞决定)。如果蝇中的成虫盘细胞团,分别决定将来定分化成触角、腿、翅膀等。这种决定是稳定的,可遗传的。如将这些成虫盘移植保存在成虫的腹腔中,连续在腹腔中移植9年之久,大约分裂1,800次,再将其移植到正要变态的幼虫体内,它们仍然按着原来的方向分化。细胞的分化是伴随细胞的增殖发育而进行的,如细胞增殖达到囊胚后发育到三胚层,各胚层再分化成相应的特化细胞。各种分化细胞最初皆来源于干细胞,一些哺乳动物胚胎在16个卵裂球之前,每个细胞都具有全能性,即每个卵裂球均可形成一个完整的个体。胚胎的内细胞团。则不能发育成一个完整的动物,但它具有多细胞分化的潜能,如多能细胞可分化为200多种细胞。随着发育逐渐成熟,干细胞的分化潜能也越来越小。

  植物细胞不同于动物细胞,高度分化的植物组织仍然保持发育成完整植物植株的全能性,如烟草的单个单倍体体孢子可培养成完整的单倍体植株。悬浮培养的胡萝卜单个细胞也可培养成可育的完整植株。

  动物细胞的全能性是指细胞而言,但细胞核却保持它的全部完整的基因组,因而细胞核具有全能性。如将豹蛙的囊胚核移入去核的卵母细胞,则可发育成为蝌蚪,甚至少数的可培养成为蛙。高度分化的蛙上皮细胞核移入去核的蛙卵母细胞中也可发育成蝌蚪,极少数可以发育成成体蛙。童第周等(1978)将黑斑蛙的红细胞移入去核的未受精的蛙卵中,成功地使之发育成正常的蝌蚪。1996年英国科学家将一只6岁的怀孕的Doset母羊乳腺上皮细胞核移入去核的Doset卵母细胞中,移入假母黑面羊的子宫中,经143天妊娠,生下了一只母羊,命名为多莉(Dolly)。这是第一次从高度分化的哺乳类细胞核移植培养出来的克隆羊,也第一次证明了高度分化的哺乳类的细胞核其基因组的仍然保持其全能性。细胞分化中的核质关系十分密切。核是基因组的所在地,它可以选择性的表达不同的基因,它根据既定的程序,有序地表达mRNA并经过剪接运到胞质中表达蛋白,细胞膜上的受体可以接受各种信息分子的信号,通过信号转导系统(其中许多蛋白)磷酸化、去磷酸化把信息传到核内(见细胞信号转导)。因而核与胞质之间是相互作用的。

分化与细胞核

  事实证明,在细胞分化中,细胞核是起决定作用的。伞藻(一种单细胞海生绿藻)移核实验即为明显的例证。伞藻细胞有明显的分化,它由假根、柄和顶帽3部分组成,核位于假根之中。不同种类的伞藻顶帽形状各异,地中海伞藻顶帽为伞形,锯齿伞藻顶帽如菊花瓣。如果把两者顶帽皆切去,然后把地中海伞藻的柄部嫁接到另一个锯齿伞藻的有细胞核的假根上,最初形成的顶帽为中间型的。再把这中间型的伞柄切下,将其嫁接到另一个锯齿伞藻有细胞核的假根上,这次长成的顶帽则为锯齿形的。相反,将锯齿伞藻的藻柄嫁接到地中海伞藻的假根上也得到同样的结果,即顶帽的性质决定于有细胞核的假根。由于核表达的mRNA在柄部不立即表达,因而顶帽的表型出现有延迟。

分化与细胞质

  细胞分化同样也受到胞质的影响。马蛔虫(Ascaris)卵的植物极有极质,受精后第一次分裂为中纬裂,分成上下2个裂球,卵裂中获得植物极极质的细胞,核受到保护。上方裂球中染色体部分发生断裂,只有中部的碎片排列在纺锤体上,将来分配到2个子细胞中,两端加粗的染色体部分则脱落在细胞质中,以后退化。有极质保护的核染色体不消减,其后代细胞分化为生殖干细胞。如在第一次卵裂时,将卵转90°横放离心,使原来的植物极细胞分裂时均匀分配到2个子细胞中,则2个子细胞的染色体都不发生消减,均分化为生殖干细胞。说明细胞极质决定了生殖细胞的分化。

分化与细胞间的相互作用

  细胞间的相互作用是各式各样的,既可是诱导作用,也可是抑制作用。就作用方式而言,有的需要相互接触,另一些可能需经过化学物质的扩散而实现较远距离起作用。

诱导作用

  两栖类胚胎背部的外胚层细胞,在脊索中胚层的作用下,分化为神经细胞,以后发育为神经系统。一般认为,脊索中胚层细胞释放某种物质,诱导外胚层细胞分化为神经组织。

  脊椎动物的皮肤有各种衍生结构,包括牙齿、毛发、羽毛、鳞片和皮腺。鸡的皮肤有两种衍生结构,鳞片和羽毛。腿下部的皮肤上有鳞片,羽毛则覆盖身体的其他部位。已知这些上皮的衍生结构是中胚层细胞诱导产生的,皮肤衍生结构的不同是下衬中胚层的区域性差异决定的。如果将大腿中胚层移植到胚胎翅膀外胚层下面,翅膀羽毛将按大腿羽毛的形态和排列而分化。如果将羽毛区域的中胚层和无羽毛区域外胚层混合,会分化出羽毛。如果羽毛区的外胚层和鳞片区的中胚层混合,外胚层则会形成鳞片,也表明正常形成羽毛的外胚层中还保存了形成鳞片的能力。异纲动物间移植的实验指出,上皮细胞的反应受本身遗传性质的限制。把小鼠腹部真皮移植到鸡的除去眼球的角膜上皮之下,结果长出羽毛。小鼠中胚层的作用本来是诱导上皮形成毛发的,但是鸡的上皮对这一诱导刺激是按它本身的遗传性形成羽毛。

抑制作用

  细胞间的相互影响还包括对细胞分化的抑制作用。如将蝾螈幼虫或成体摘除水晶体后,可以从背部的虹彩再生出一个新的。虹彩本来主要是由色素细胞组成,摘除水晶体之后,背方边缘的色素细胞中的色素颗粒减少变得透明,同时细胞分裂加速,形成细胞团,随后分化为水晶体。而且移植方法证明虹彩其他部分均无此种再生晶体的能力。为什么在正常的眼睛里无此能力?如把虹彩的背部移到另一只未摘除水晶体的眼睛里,经常注射完整的(带有水晶体的)眼腔液体,在注射期间,虹彩背部的细胞也不长出水晶体。此外,若移入前预先热处理杀死眼球,移入的晶体就不再阻断水晶体的再生。实验证明,正常水晶体能产生一种可抑制虹彩背部细胞产生水晶体的能力。由于摘除水晶体或热杀伤水晶体后,虹彩转分化生成水晶体的能力才得以表现。

分化的基因表达

  细胞分化的本质是基因在调控下的选择性的转录。虽然也有事实证明分化时细胞核中可转录出多种mRNA,但只是有选择的将有关的mRNA翻译成蛋白,无关的mRNA在核中即被降解,或在细胞质中不被翻译成蛋白。用核酸酶分析染色质结构的工作指出,转录和非转录的基因对酶解的反应不同。如DNaseI处理小鸡红细胞细胞核,珠蛋白基因被消化降解,而卵清蛋白基因不被降解。因红细胞核中珠蛋白基因是活跃转录的,卵清蛋白基因是静息的。反之,用DNaseI短时间处理小鸡输卵管细胞,卵清蛋白基因被消化,因它在此种细胞中活跃转录。

  转录水平调控的更有力的证据是对果蝇和摇蚊幼虫的多线染色体的基因转录的研究。多线染色体多为分泌细胞,如果蝇唾液腺细胞,其中4条染色体DNA可以经过10次DNA合成而无子染色体的分离,因而形成210=1,024条相同的染色质丝,并整齐排列。染色体上满布横纹,由相间的深色带和浅色带间组成。85%的DNA在带部,15%DNA位于带间,一条带相当于一个基因或一组基因。由于染色质的凝聚带被深染,带间浅染。大约有5,000条带及带间,并且通过带型及带间来识别它们。幼虫变态时,有蜕皮激素产生,并且相关的带变为膨松状,称之为膨泡。分化细胞中的膨泡反映了这种细胞特有的旺盛的基因转录活动。不同细胞,不同发育阶段,其膨泡出现的时间与空间均有其特征,表明了分化过程中的基因表达的时空调节。