细胞生物学(第五版)-第14章-细胞分化与干细胞

第14章细胞分化与干细胞细胞生物学（第5版）主编

丁明孝

王喜忠张传茂

陈建国

本章主要内容第一节细胞分化第二节干细胞第一节细胞分化多细胞有机体由各种不同类型的细胞组成，这些细胞通常是一个受精卵细胞经增殖分裂和细胞分化衍生而来。细胞分化是指在个体发育中，由一种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。一、细胞分化的基本概念绝大多数细胞分化不是因为遗传物质的丢失，而是由于细胞选择性地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（一）细胞分化是基因选择性表达的结果管家基因:又称持家基因，是指所有细胞中均要稳定表达的一类基因，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。管家基因始终保持着低水平的甲基化并且一直处于活性转录状态。组织特异性基因：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的形态结构特征与特异的生理功能。（二）管家基因/组织特异性基因组合调控概念：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（三）组合调控引发组织特异性基因的表达体外培养的成纤维细胞(来自皮肤结缔组织)关键性调控蛋白MyoD成纤维细胞表现出骨骼肌细胞的特征:表达大量的肌动蛋白和肌球蛋白构成收缩器，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，一旦加入MyoD后，即形成了启动肌细胞分化的特异的调控蛋白组合。一种在成肌细胞分化为骨骼肌细胞过程中的关键调控蛋白在发育的早期，把果蝇ey基因转入到将发育成腿的幼虫细胞中表达，结果诱导产生构成眼的不同类型细胞的三维组合，最终在腿的中部形成眼。（四）单细胞有机体的细胞分化黏菌繁殖过程示意图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。此过程中，许多生物的卵裂按照严格的图式进行，且各类细胞产生的时间、顺序、位置和类型，在发育的早期就已确定。（六）转分化与再生（五）转分化与再生（一）受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响眼的发生示意图近旁组织的诱导互相作用正常情况下，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，外侧的表皮细胞形成角膜。如果把早期的视泡移植在头部其他部位，也可诱导与之接触的外胚层发育成晶状体（二）胞外信号分子及细胞的位置信息决定细胞分化的命运近端组织相互作用主要是通过信号分子改变靶细胞的分化方向。细胞能够接收到哪些类型的信号分子，取决于细胞在胚胎或成体中所处的空间位置。根据信号细胞和靶细胞的距离，可分为短程诱导(相距5-10个细胞)和长程诱导(相距超过5-10个细胞）。上皮生长因子（EGF）和成纤维生长因子（FGF）等家族成员属于短程诱导，TGFβ和Wnt等家族成员属于长程诱导。Hedgehog通常被认为是短程信号分子，在某些情况下起着长程信号分子的作用。细胞分化与3个胚层发生的分子机制的示意图近年来，通过对胚胎干细胞，包括人胚胎干细胞在内的细胞定向分化的研究显示：细胞分化与3个胚层发生这一复杂的过程，不仅依赖于各种信号分子的组合和浓度，也与细胞相互间的位置密切相关，细胞所处的位置即细胞的微环境对细胞状态的维持及分化的命运起到关键作用。果蝇幼虫的成虫盘（imaginaldisc)是一些未分化的细胞群,在幼虫变态过程中，不同的成虫盘发育为成虫不同的器官。（三）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。

细胞的记忆与细胞决定有关,细胞决定指在发育过程中，细胞在出现可识别的形态、结构和功能差异之前，其分化方向已由内外因素确定的现象。“决定”早于分化，细胞能将短暂的“决定”储存下来，形成长时间的“记忆”。细胞的记忆可能通过2种方式实现1.正反馈途径，即细胞接受信号刺激，激活转录调节因子，该因子不仅诱导自身基因的表达，还诱导其他组织特异性基因的表达。2.染色体结构变化（DNA与蛋白质相互作用及其修饰）的信息传到子代细胞染色质变化主要包括：基因丢失，基因扩增，基因重排，DNA甲基化基因重排：基因与基因间的位置或顺序发生重新排列组合。如B淋巴细胞分化为浆细胞的过程中，它的DNA经过断裂重排的变化,这有利于其利用有限的免疫球蛋白基因表达大量的抗体。总之伴随染色质变化及基因重排，细胞分化也出现变化。（四）染色质变化与基因重排对细胞分化的影响一、干细胞的概念和分类干细胞是机体中能进行自我更新（产生与自身相同的子代细胞）和多向分化潜能（分化形成不同细胞类型）的一类细胞。因此，它们在细胞分化和个体发育中起着关键和决定性的作用。第二节干细胞多莉羊的克隆动物克隆技术的基本理论问题是体细胞的重编程问题，即已分化的染色质如何通过重新“编程”回到初始未分化的细胞状态，然后才有可能沿正常的发育程序分化成各种类型的细胞如蛙skin细胞核移植后发育成蝌蚪Dolly羊的诞生说明高度分化的哺乳动物体细胞核也具有发育全能性以上证明了即使是哺乳动物终末分化的细胞，也可以通过细胞重编程逆转成为具有全能性的干细胞。二、胚胎干细胞指从原始生殖细胞或着床前的内细胞团获得的一种具有多潜能性、可发育成为各种细胞、同时可保持不分化状态而持续生长的克隆细胞系。体外培养的人胚胎干细胞人类治疗性克隆与再生医学的设想基于人胚胎干细胞系的建立和克隆羊的成功，2001年B.Haseltine提出了再生医学的概念，旨在将治疗性克隆技术与人胚胎干细胞的制备相结合，利用体外构建的自身组织与器官来使患者得以康复的新的治疗理念，极大地促进了干细胞体外定向分化及其相关领域研究的发展。三、成体干细胞生物成体中，多数细胞都是具有一定寿命，生物体需要产生足够的各种不同类型的细胞，以维持机体的代谢平衡。这一工作主要由存在于各种组织和器官中的成体干细胞完成，其基本功能是分化产生某些类型的终末分化细胞。成体干细胞的特征祖细胞可以快速分裂，形成各种分化细胞。与干细胞不同，祖细胞只有有限的分裂次数。多能干细胞（造血干细胞、骨髓间充质干细胞、神经干细胞等）属于成体干细胞的范畴，其分化的潜能是有限的，一般局限于分化产生同一胚层的细胞类型。单能干细胞仅能分化产生一种或几种类型的细胞，如生殖嵴干细胞长期造血干细胞：存在于成体骨髓特定的微环境中，数量较少，具有极强的自我更新能力，在维持机体终生造血过程中起主要作用。长期造血干细胞在骨髓中可以分化成短期造血干细胞。短期造血干细胞只具备有限的自我更新能力，只能在一定时期内维持机体的造血机能。短期造血干细胞可以继续分化成多能前体祖细胞，进一步分化成共同淋巴系前体祖细胞，或共同髓系前体祖细胞。只有造血干细胞具有重建整个造血系统的能力，祖细胞尽管数量很多，却没有这个能力。（一）造血干细胞成体哺乳动物的造血干细胞大部分存在于骨髓中，骨髓移植实质上是造血干细胞的移植。多数造血干细胞处于静息态G0期，只有小部分处于比较活跃的细胞分裂状态。造血干细胞逐级分化为各种类型的血细胞（二）神经干细胞胚胎发育早期，神经管由一单层细胞组成，这单层细胞就是胚胎神经干细胞（三）肠干细胞四、细胞命运重编程与诱导性多潜能干细胞随着发育的进行，细胞的分化潜能不断丧失，由全能性到多能性、单能性，直到形成特定终末分化的细胞类型。长期以来，人们认为这是一个不可逆的过程，细胞命运一旦最终决定就无法更改。后经过一系列实验证实：终末分化细胞的命运是可以通过细胞重编程改变的。近年来，利用具有生物活性的化学小分子提高重编程效率以至完全替代转录因子，成为新一代细胞重编程技术研发的热点。化学小分子操作简单、容易通过细胞膜、作用可逆，可以利用不同化学小分子的组合及合适的处理时间和浓度，实现对某些特异蛋白的激活或抑制，以实现对细胞重编程的精确调控。2013年我国邓宏魁实验室首次实现通过小分子化合物组合，成功诱导小鼠体细胞转变为多潜能干细胞，称为“化学诱导的多潜能干细胞”（CiPS）。五、谱系重编程除了将人胚胎干细胞或iPS细胞等多潜能性干细胞分化为特定的体细胞，用于再生医学研究外，谱系间的重编程也受到人们极大的关注。人的胚胎干细胞诱导分化成胰