第一节 细胞分化的基本概念

一、多细胞生物个体发育过程与细胞分化潜能

1、细胞分化（名词解释）：细胞分化是个体发育过程中细胞在结构和功能上发生差异的过程，包括胚胎发育和胚后发育两个阶段。

（一）动物和人类胚胎的三胚层代表不同类型细胞的分化去向

在原肠胚期，产生了内、中、外三个胚层，它们具有不同的发育和分化去向：内胚层将发育为C；中胚层将发育为 B；外胚层则形成A。

A、 神经系统、表皮及其附属物
B、 骨骼、肌肉、纤维组织和真皮，以及心血管系统和泌尿系统
C、 消化道及其附属器官、唾液腺、胰腺、肝脏以及肺等的上皮成分

（二）细胞分化的潜能随个体发育进程逐渐“缩窄”

1、两栖类动物在囊胚形成之前的卵裂球细胞、哺乳动物桑葚胚的8细胞期之前的细胞和其受精卵一样，均能在一定条件下分化发育成完整的个体。通常将具有这种特性的细胞称为全能性细胞。

2、在胚胎发育过程中，细胞逐渐从“全能”到“多能”，最后向“单能”的趋向，是细胞分化的一般规律。

3、大多数植物和少数低等植物（如水螅）的体细胞仍具有全能性；而在高等动物和人类，至成体期，除一些组织器官保留了部分微分化的组织干细胞之外，其余均为终末分化细胞。

（三）终末分化细胞的细胞核具有全能性——全能性细胞核

1997年，英国爱丁堡大学研究所，第一次成功克隆出哺乳动物——“多莉”（Dolly）。

二、细胞决定与细胞分化

（一）细胞决定先于细胞分化并制约着分化的方向

1、细胞决定（名词解释）：在个体发育过程中，细胞在发生可识别的分化特征之前就已经确定了未来的发育命运，只能向特定方向分化的状态，称之为细胞决定。

2、细胞决定可通过胚胎移植实验予以证明。在两栖类胚胎，在早期原肠胚和晚期原肠胚之间的某个时期便开始了细胞决定。

3、有两种因素在细胞决定中起重要作用：

①卵细胞的极性与早期胚胎细胞的不对称分裂

②发育早期胚胎细胞所处的位置差异及胚胎细胞间的相互作用

（二）细胞决定具有遗传稳定性

1、典型例子：果蝇成虫盘细胞的移植实验

2、转决定：胚胎细胞不按已决定的分化类型发育，而是生长出不是相应的成体结构的现象。

三、细胞分化的可塑性

1、一般地，细胞分化具有高度的稳定性。

2、细胞分化的稳定性：指正常的生理条件下，已经分化为某种特异的、稳定类型的细胞一般不可能逆转到未分化状态或者其他类型的分化细胞。

3、细胞分化的可塑性：指已分化的细胞在特殊条件下重新进入未分化状态或转分化为另一种类型细胞的现象。

（一）已分化的细胞发生去分化

1、去分化（名词解释）：在某些条件下，分化了的细胞不稳定，其基因活动模式发生可逆性的变化，而又回到未分化状态，这一变化过程称为去分化。

2、细胞重编程（名词解释）：通过人为手段，将分化成熟细胞逆转为未分化细胞的过程，包括SCNT体细胞核移植和iPS。

（习题集·一·11）2012年获得诺贝尔生理医学奖的日本科学家山中伸弥对干细胞研究的贡献是哪一项？B
A、iPS                     
B、SCNT                     
C、ES                
D、转分化

（二）特定条件下已分化的细胞可转分化为另一种类型细胞

1、转分化（名词解释）：在高度分化的动物细胞中还可以看到另一种现象，即从一种分化状态转变成另一种分化状态，这种情况称为转分化。

2、无论是动物还是植物，细胞分化的稳定性是普遍存在的，可以认为分化具有单向性、序列下和终末性，而去分化是逆向运动，转分化是转序列运动。

3、发生细胞的转分化或去分化是有条件的：

①细胞核必须处于有利于分化逆转环境中；

②分化能力的逆转必须具有相应的遗传物质基础。

4、通常情况下，细胞分化的逆转易发生于具有增殖能力的组织中。

四、细胞分化的时空性

1、时间上的分化：一个细胞在不同的发育阶段可以有不同的形态结构和功能，即时间上的分化

2、空间上的分化：同一种细胞的后代，由于每种细胞所处的空间位置不同，其环境也不一样，可以有不同的形态和功能。

五、细胞分裂与细胞分化

请简述细胞分裂与细胞分化的联系：

① 通常细胞在增殖（细胞分裂）的基础上进行分化，而早期胚胎细胞的不对称分裂所引起的细胞质中转录因子的差异则制约着细胞的分化方向及进程。

② 细胞分化开始于细胞的G1期，在早期胚胎发育阶段特别是卵裂过程中，细胞快速分裂，G1期很短或几乎没有G1期，此时细胞分化减慢。

③ 细胞分裂旺盛时细胞分化变缓，细胞分化较高时分裂速度减慢是个体生长发育的一般规律。

第二节 细胞分化的分子基础

一、基因组的活动模式

（一）基因的选择性表达是细胞分化的普遍规律

1、细胞分化的实质是细胞的特化，即分化的细胞表达特异性蛋白（保持特化特征）。

2、细胞分化不伴随基因组的改变，多细胞生物个体发育与细胞分化过程中，其基因组DNA并不全部表达，而呈现选择性表达，即它们按照一定的时空顺序，在不同细胞核同一细胞的不同发育阶段发生差异表达。

3、奢侈蛋白：即细胞特异性蛋白，如红细胞中的血红蛋白、皮肤表皮细胞中的角蛋白、肌细胞的肌动蛋白和肌球蛋白等。

4、奢侈基因（名词解释）：在特定类型细胞中表达，以执行此类细胞特定功能的基因，也赋予此类细胞特定的特征，又称组织特异性基因。

5、持家基因/管家基因（名词解释）：是生物体各类细胞中都表达，为维持细胞存活和生长所必需的蛋白质编码的基因。

（二）基因组改变是细胞分化的特例

1、特定基因的选择性扩增：果蝇的卵巢滤泡细胞

2、基因组扩增：果蝇的卵巢滋养细胞、唾液腺细胞和马尔皮基氏管细胞

3、遗传物质丢失：马蛔虫体细胞（染色体片段丢失）、摇蚊题细胞（染色体丢失）、哺乳动物（除骆驼外）的红细胞以及皮肤、羽毛和毛发的角化细胞（细胞核丢失）。

4、在B淋巴细胞分化期间，胚细胞DNA通过体重组，使DNA序列中不同部位的部分基因片段连接在一起，组成产生抗体mRNA的DNA序列。

二、胞质中的细胞分化决定因子与传递方式

（一）母体效应基因产物的极性分布决定了细胞分化与发育的初始命运

1、母体因子（名词解释）：通常将在卵质中呈极性分布、在受精后被翻译为在胚胎发育中期重要作用的转录因子和翻译调节单薄的mRNA分子称为母体因子。

2、母体效应基因（名词解释）：编码母体因子的基因称为母体效应基因。

（二）胚胎细胞分裂时胞质的不均等分配影响细胞的分化命运

  • 在胚胎早期发育过程中，细胞质成分不均质，胞质中某些成分的分布具有区域性。当细胞分裂时，细胞质成分被不均等地分配到子细胞中，这种不均一性胞质成分可以调控细胞核基因的表达，在一定程度上决定细胞的早期分化。

三、（习题集·三·1）基因选择性表达的转录水平调控

（一）基因的时序性表达

1、某一特定基因严格按照一定的时间顺序发生，这称为基因表达的时间特异性。

2、从受精卵到组织、器官的形成的各个不同发育阶段，都会有不同的基因严格按照自己特定的时间顺序开启或者关闭，表现为分化、发育阶段一致的时间性，也称为阶段特异性。

3、例子：血红蛋白转录水平调控的基因选择性表达

（二）基因的组织细胞特异性表达

1、一种基因产物在个体的不同组织或器官中表达，即在个体的不同空间出现，这就是基因表达的空间特异性。

2、不同组织细胞中不仅表达的基因数量不同，而且基因表达的强度和种类也不同，这就是基因表达的组织特异性。

3、参与基因表达调控的转录因子分为两类：

①通用转录因子：为大量基因转录所需要并在许多细胞类型中都存在的因子

②组织细胞特异性转录因子：为特定基因或一系列组织特异性基因表达所需要，并在一个或更少几种细胞类型中存在的因子。

4、通常情况下，细胞特异性的基因表达是由于仅存于那种类型细胞中的组织细胞特异性转录因子与基因的调控区相互作用的结果。个体发育或细胞分化期间被激活的基因通常有复杂的调控区，受多种转录因子作用并受转录因子调节蛋白的制约。

（三）细胞分化过程中基因表达调控的复杂性

  • 细胞谱系（名词解释）：动物受精卵第一次卵裂后的裂球，在个体发育中通过细胞分裂产生大量多带各种成体细胞，祖细胞与分化细胞的先后连续的宗系关系被称为细胞谱系。

1、一个关键基因调节蛋白的表达能够启动特定谱系细胞的分化

（1）在个体发育中，一个关键基因调节蛋白的表达能引发一整串下游基因的表达，某些基因永久关闭，某些基因持续激活，从而诱导细胞沿某一分化途径增殖，导致特定谱系细胞的发育。

（2）细胞分化主导基因（名词解释）：在个体发育中，一个关键基因调节蛋白的表达能引发一整串下游基因的表达，某些基因永久关闭，某些基因持续激活，从而诱导细胞沿某一分化途径增殖，导致特定谱系细胞的发育。具有这种正反馈作用的关键基因调节蛋白，通常称为细胞分化主导基因。

2、一些基因调节蛋白的组合能产生许多类型的细胞

基因调节蛋白的组合，意味着许多基因调节蛋白共同参与影响转录效率，并且每个基因调节蛋白也参与调控多个基因。众多基因调节蛋白存在于多种类型的细胞中，在体内多个部位和发育期间多次表达，从而诱导产生多种类型的细胞。

3、同源异形框基因的时空表达确定了机体前-后轴结构的分化和发育蓝图

（1）同源异形框（名词解释）：在昆虫和各种动物中发现，其体内许多基因都含有一段相同的180bp的DNA，编码高度同源的60个氨基酸组成的肽段，把这一180bp的相同DNA片段称为同源异形框。

（2）同源异形域蛋白（名词解释）：由同源异形框基因编码的蛋白，称为同源异形域蛋白。它们是一类非常重要的转录调节因子，功能是将胚胎细胞沿前-后轴分为不同区域，并决定各区域器官的形态建成。

（四）染色质成分的化学修饰在转录水平上调控细胞的特化

  • 表观遗传（名词解释）：染色质成分的修饰性标记，在细胞分裂中能被继承并共同作用决定细胞表型，称为表观遗传，是DNA序列变化以外的可遗传的基因表达改变。

  • 从分子或机制角度下定义：在同一基因组上建立的，能将不同基因转录和基因沉默模式传递下去的，染色质模块变化的总和。

1、DNA甲基化在转录水平上调控细胞分化的基因表达

（1）在甲基转移酶催化下，DNA分子中的胞嘧啶可转变成5-甲基胞嘧啶，这就是DNA甲基化。

（2）甲基化常见于富含CG二核苷酸的CpG岛，主要集中于异染色质区。

（3）DNA甲基化对基因活性的影响之一是启动子区域的甲基化，甲基化程度越高，DNA转录活性越低。在发育过程中，当某些基因的功能完成之后，甲基化有助于这些基因的关闭。

※DNA甲基化导致基因失活（沉默）的可能机制是：

①甲基化直接干扰转录因子于启动子中特定位点的结合

②甲基化导致的基因沉默可能是由特异的转录抑制因子直接与甲基化DNA结合引起的

③甲基化导致的基因沉默是由染色质结构发生改变而引起的。

※基因组印记（名词解释）：二倍体生物在某些条件下，某一个基因的表达与否与其来源有关，即只允许表达来自父源或母源染色体的其中之一，这种现象称为基因组印记。

2、组蛋白的化学修饰影响基因的转录与细胞分化

组蛋白的氨基酸残基可被乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化等，引起染色质结构的动态变化，导致基因转录或沉默，从而影响细胞分化状态的改变。

3、染色质成分的共价修饰具有时空性

影响染色质结构变化的因素，包括组蛋白修饰、DNA甲基化、组蛋白组分的改变、染色质重建子和非编码RNA等。以上这些因素相互结合促使不同细胞的染色质形成特异形态，并作为发育和分化的模板。最终由一个受精卵分化发育成存在200多种不同类型细胞的多种表观基因组的成体。

四、基因选择性表达的转录后调控

1、RNA剪切与细胞分化

RNA剪切对细胞分化的一种调控方式为可变剪切（选择性剪切），即在同一基因中，其剪切位点和拼接方式可以改变，从而导致一个基因能产生多个具有明显差异的相关蛋白产物。

2、非编码RNA与细胞分化

非编码小RNA主要在转录后水平调控细胞的分化。小RNA通过靶基因mRNA 3’端UTR互补结合，抑制靶基因的蛋白质合成或促使靶基因的mRNA降解，从而参与细胞的调控。

长链非编码RNA（lnc RNA）与细胞的分化和发育密切相关。哺乳细胞基因组序列中4%~9%的序列产生的转录本是lncRNA。在细胞分化和发育过程中，lncRNA能调控基因组印记和X染色体失活；许多lnc RNA在Hox基因座的选择性表达中发挥重要调控作用，它们决定这些基因座染色质结构域中组蛋白甲基化修饰是否会发生、染色质结构是否允许RNA聚合酶转录等。

第三节 细胞分化的影响因素

一、细胞间相互作用对细胞分化的影响

（一）胚胎细胞间相互作用的主要表现形式是胚胎诱导

1、胚胎诱导（名词解释）：胚胎发育过程中，一部分细胞对邻近细胞产生影响并决定分化方向的现象，称为胚胎诱导。

2、胚胎细胞间的相互诱导作用是有层次的。在三个胚层中，中胚层首先独立分化，该过程对相邻胚层有很强的分化诱导作用，促进内胚层、外胚层各自向相应的组织器官分化。

3、胚胎诱导的分子基础：胚胎诱导是通过诱导组织释放的各种旁分泌因子实现的。

（1）发育过程中常见的旁分泌因子有：①成纤维细胞生长因子；②Hedgehog家族蛋白；③Wnt家族蛋白；④TGF-β超家族。

（2）作用：①旁分泌因子在胚胎的不同发育阶段以及处于不同位置的胚胎细胞的表达差异，提供了胚胎发育过程中的位置信息。②位置信息还体现在不同部位胚胎细胞对同一种旁分泌因子的分化效应不同。

（二）胚胎细胞间的相互作用还表现在细胞分化的抑制效应

1、抑制效应（名词解释）：在胚胎发育过程中，已分化的细胞抑制相邻细胞进行相同分化而产生的负反馈调节作用。

2、抑素：已分化的细胞可以产生某种物质，抑制邻近细胞向其相同方向分化，这种物质称为抑素。

3、侧向抑制（名词解释）：如果一个细胞“试图”向某个方向分化，那么这个细胞在启动分化指令的同时，也发出另一个信号去抑制相邻细胞的分化，这种现象称为侧向抑制。
举例：脊椎动物的神经板细胞向神经前体细胞分化的过程

二、激素对细胞分化的调节

1、激素是远距离细胞间相互作用的分化调节因子。远距离细胞间的相互作用由经血液循环输送至各部位的激素来完成。激素所引起的反应是按预先决定的分化程序进行的，是个体发育晚期的细胞分化调控方式。

2、激素可分为甾类激素和多肽类激素两大类：

（1）甾类激素如类固醇激素、雌激素和昆虫的蜕皮素等为脂溶性，分子小，可穿过靶细胞的细胞膜进入细胞质，与细胞质内的特异性受体结合形成受体-激素复合物，该复合物入核后，能作为转录调控物，直接结合到DNA调控位点上激活（或在一些情况下抑制）特异基因的转录。

（2）多肽类激素如促甲状腺素、肾上腺素、生长激素和胰岛素等皆为水溶性，分子量较大，不能穿过细胞膜，而是通过与质膜上的受体结合，并通过细胞内信号转导过程将信号传递到细胞核，影响核内DNA转录。

3、典例：动物发育过程中的变态效应

三、环境因素对细胞分化的影响

1、细胞分化的方向可因环境影响而改变，物理的、化学的和生物性因素均可对细胞的分化和发育产生重要影响。

2、举例：

（1）在两栖类动物，其受精卵的背-腹轴确定出来取决于精子穿透进入卵的位点之外，还与重力的影响有关。

（2）在低等脊椎植物，性别决定与分化受环境因素的影响较大，环境信号启动基因的表达不同，从而影响动物的性别。

（3）哺乳类动物（包括人类）B淋巴细胞的分化与发育则依赖于外来性抗原的刺激。

3、许多环境因素可干扰人类的正常发育

（1）缺I：甲状腺肿、精神发育和生长发育迟缓

（2）在妊娠期感染风疹病毒：发育畸形（先天性白内障和心脏发育畸形）

第四节 细胞分化与医学

一、细胞分化与肿瘤

（一）肿瘤是异常分化的细胞

肿瘤细胞表现出低分化、高增殖和高侵袭（即高迁移）的特征。

1、肿瘤细胞的异常分化

从细胞分化观点分析肿瘤，认为分化障碍是肿瘤细胞的一个重要生物学特性，甚至有人认为肿瘤本身是一种分化疾病，是由于正常基因功能受控于错误的表达程序所致。

多数情况下，终末分化细胞不再具有增殖能力，而肿瘤细胞在不同程序上缺乏分化成熟细胞的形态和完整的功能，丧失某些终末分化细胞的性状，并常对正常的分化调节机制缺乏反应。

2、肿瘤细胞是丧失接触性抑制的高迁移性“永生”细胞

（1）接触抑制（密度依赖性抑制）：一般情况下，体外培养的大部分正常细胞需要黏附于固定的表面进行生长（依赖锚泊），增殖的细胞达到一定密度，汇合成单层以后即停止分裂，此过程称为接触抑制或密度依赖性抑制。

（2）而肿瘤细胞缺乏这种生长限制，甚至可在半固体琼脂中呈悬浮生长，不需要依附于细胞表面，不受密度限制，可持续分裂，达到很高密度而出现堆积生长，形成高出单层细胞的细胞灶。

（3）肿瘤细胞或转化细胞的生长对生长因子或血清的依赖性较低，甚至在缺乏生长因子和低血清（2%）状态下也可生长、分裂。

（4）肿瘤细胞在发生转移之前，必须经过上皮-间质转换（EMT），即上皮细胞向具有高侵袭（或迁移）力的间质细胞的转变；同时，迁移到距离原发灶远处组织中的间质性肿瘤细胞也必须经过间质-上皮转换（MET），才能形成转移性或继发性肿瘤。

（二）细胞分化的研究进展促进了对肿瘤细胞起源的认识

1、正常细胞转变成为恶性肿瘤的过程称为癌变。肿瘤中的全部细胞都来源于同一个恶变细胞。

2、根据生长动力学原理，肿瘤细胞群体可大致分为四种类型：

（1）干细胞：肿瘤细胞群体的起源，具有无限分裂增殖和自我更新能力，维持整个群体的更新和生长

（2）过渡细胞：由干细胞分化而来，具有有限增殖能力，但丧失自我更新特征

（3）终末细胞：分化成熟细胞，已彻底丧失分裂增殖能力

（4）G0期细胞：细胞群体中的后备细胞，有增殖潜能但不分裂，在一定条件下可以更新进入增殖周期

3、大量证据表明，肿瘤起源于一些未分化或微分化的干细胞，是由于组织更新时所产生的分化异常所致。

（三）肿瘤细胞可被诱导分化为成熟细胞

1、小分子诱导剂诱导肿瘤细胞向成熟细胞分化

（1）肿瘤细胞可以在高浓度的分化信号诱导下，增殖减慢，分化加强，走向正常的终末分化。这种诱导分化信号分子被称为分化诱导剂，它可以是体内的或是人工合成的。分化诱导剂对肿瘤的这种促分化作用，称为分化诱导作用。

（2）举例：

①20世纪70年代，人们先后发现细胞膜的环磷酸腺苷（cAMP）衍生物，如环丁酰cAMP、8-溴cAMP可使神经母细胞瘤的某些表型发生逆转，二甲亚砜（DMSO）在体外可使小鼠红白血病细胞发生部分分化。

②20世纪80年代，发现微生物A衍生物——维甲酸对人急性早幼粒细胞白血病具有诱导分化作用。

③不同肿瘤细胞可有多种分化诱导剂，并有一定的专一性，其中研究及治疗最深入的是全反式维甲酸和三氧化二砷对人急性早幼粒细胞白血病的诱导分化治疗。

2、细胞重编程促使肿瘤细胞逆分化为“正常”细胞

二、细胞分化与再生医学

1、再生（名词解释）：一些发育成熟的成年动物个体有再生现象，表现为动物的整体或器官受外界因素租用和发生创伤而部分丢失时，在剩余部分的基础上又生长出与丢失部分在形态结构和功能上相同的组织或器官的过程。

2、再生的本质是多潜能未分化细胞的再发育。

3、三种再生方式：

① 变形再生（形态重组再生）：如水螅等低等动物，其再生是通过已存在组织的重组分化，即组织中的多潜能未分化细胞的转分化。

② 微变态再生：组织器官内没有干细胞，在受伤时，受伤部位组织中的部分细胞通过去分化过程形成未分化的细胞团（原基细胞），再重新分化形成再生器官。（两栖类动物再生肢体的主要方式）

③ 补偿性再生：是一种中间形式，表现为细胞分裂，产生与自己相似的细胞，保持它们的分化功能，如哺乳动物肝脏的再生。