细胞分化 - DGSO百科
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细胞分化 百科内容来自于: 百度百科

在个体发育中,由一个或一种细胞增殖产生的后代,在形态结构和生理功能上发生稳定性的差异的过程称为细胞分化(cellular differentiation)。细胞分化是一种持久性的变化,细胞分化不仅发生在胚胎发育中,而是生物的一生都在进行着,以补充衰老和死亡、凋亡、损伤的细胞.如:多能造血干细胞能分化为不同类型的血细胞过程。一般来说,已分化的细胞如果没有外界的影响将一直保持分化后的状态,直到死亡为止。

简介

细胞分化就是由一种相同的细胞类型经过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。也可以说,细胞分化是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。其结果是在空间上细胞之间出现差异,在时间上同一细胞和它以前的状态也有所不同。细胞分化是从化学分化到形态、功能分化的过程。分裂不等于分化。
从分子水平看,细胞分化意味着各种细胞内合成了不同的具有专属性的蛋白质(如水晶体细胞合成晶体蛋白红细胞合成血红蛋白肌细胞合成肌动蛋白肌球蛋白等),而专属性蛋白质的合成是通过细胞内一定基因在一定的时期的选择性表达实现的。因此,基因调控是细胞分化的核心问题。

特点

细胞分化的特点主要可以概括成四点:
1.持久性:细胞分化贯穿于生物体整个生命进程中,在胚胎期达到最大程度
2.稳定性和不可逆性:一般来说,分化了的细胞将一直保持分化后的状态,直到死亡
3.普遍性:生物界普遍存在,是生物个体发育的基础
正常情况下,细胞分化是稳定、不可逆的。一旦细胞受到某种刺激发生变化,开始向某一方向分化后,即使引起变化的刺激不再存在,分化仍能进行,并可通过细胞分裂不断继续下去。
4.遗传物质不变性:细胞分化是伴随着细胞分裂进行的,亲代与子代细胞的形态、结构或功能发生改变,但细胞内的遗传物质不变。
但大量科学实验证明,在植物细胞中高度分化的植物细胞仍具有发育成完整植株的潜能,即植物细胞的全能性,但能力随着细胞分化程度的高低所需要的条件也逐渐变化。在动物细胞中,部分细胞(有细胞核)也有此能力。
胚胎细胞在显示特有的形态结构、生理功能和生化特征之前,需要经历一个称作决定的阶段。在这一阶段,细胞虽然还没有显示出特定的形态特征,但是内部已经发生了向这一方向分化的特定变化。细胞在整个生命进程中,在胚胎期分化达到最大限度.
细胞功能决定分化的早晚,因动物及组织的不同而有差异,但一般情况下都是渐进的过程。例如,在两栖类,把神经胚早期的体节从正常部位移植到同一胚胎的腹部还可改变分化的方向,不形成肌肉而形成肾管及红细胞等。但是到神经胚晚期移植体节,就不能改变体节分化的方向。可见,这时期体节的分化已稳定地决定了。

关系

Ⅰ细胞分裂:是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础.
①使单细胞生物产生新的个体.
②使多细胞生物产生新细胞,使生物幼体由小长大.
③通过分裂将复制的遗传物质平均分配到两个子细胞中.
细胞生长:生物体的生长包括细胞数目的增加和细胞体积的增大两个方面.细胞分裂和细胞生长都是生物体生长的细胞学基础.
Ⅲ细胞分化:是生物界普遍存在的生命现象,是生物个体发育的基础,经细胞分化,多细胞生物形成不同的细胞和组织.
细胞癌变:是受致癌因子的作用,细胞连续进行分裂从而超过最高分裂次数无限增殖的现象.
四者的联系
⑴细胞分裂是细胞分化的基础
⑵仅有细胞分裂,生物体不能进行正常的生长发育
⑶细胞的正常分化能抑制细胞癌变,细胞癌变是细胞的畸形分化,主要是原癌基因和抑癌基因等相关基因发生突变所造成的。癌变后会导致该细胞无限制地分裂下去,从而形成肿瘤而危害人体健康,而癌细胞因为糖被的变化,而有易转移的特点,难以根治,一直都是危害人类健康的难治之症之一。
特别提醒:①细胞分裂并不意味着生物体一定由小长大.因为受精卵开始进行细胞分裂时,细胞数目虽然增多,但由于受卵膜的限制,胚胎体积并未增大.②分化必须建立在分裂的基础上,即分化必然伴随着分裂,但分裂的细胞不一定就分化.分化程度越高,分裂能力也就越差.

细胞生理机制

分裂的不对称性

卵母细胞的细胞核并不位于细胞中央,而是在细胞外周靠近表面的地方,极体就是从这里形成并释放出来的,通常把极体释放的位点称为动物极,而相对的一极称为植物极。
动物卵细胞中,贮存有2万-5万种不同核苷酸序列的mRNA,专供受精卵的启动、分化和发育之用。卵细胞中的mRNA并非均匀分布的,而是位于特定的空间。因此,卵细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运,如昆虫是以表面卵裂的方式形成胚层细胞的。

细胞间的相互作用

细胞间的相互作用是各式各样的,可以是诱导作用,也可以是抑制作用。就作用方式来说,有的作用需要细胞的直接接触,另一些所需要的可能是间隔一定距离的化学物质的扩散。
(1)胚胎诱导 在胚胎发育过程中,一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用称为胚胎诱导,如中胚层形成的脊索可诱导其顶部的外胚层发育成神经板、神经沟和神经管,视细胞可诱导其外面的外胚层形成晶体,而晶体又可诱导外胚层形成角膜。
诱导不但在中轴器官的形成中起作用,也在以后器官的发生中起作用。例如间质细胞的存在对体内腺体上皮的形成和分化是必不可少的。这些腺体包括甲状腺、胸腺、唾腺和胰腺,它们对间质细胞的依赖程度有很大差异。在离体条件下,胰腺原基只要有间质细胞存在就可以继续发育。
(2)分化抑制 用含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚,则蛙胚不能发育出正常的心脏,若去除成蛙心组织,则蛙胚发育正常,这说明分化成熟的细胞可以产生某种物质,抑制相邻细胞发生同样的分化,这种作用称为分化抑制。
如在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。进一步的分析指出,再生水晶体的能力局限在虹彩背部的边缘层。如把这部分组织移到另一个摘除水晶体的眼睛,不是位于背部,而是使它位于腹部,仍旧可以由它再生出水晶体。
既然这部分细胞有生长水晶体的能力,为什么在正常的眼睛里不表现?如把虹彩的背部移到另一只未摘除水晶体的眼睛里,不管使它位于那一部位,都长不出水晶体。如在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,虹彩背部的细胞也长不出水晶体。由此可见,虹彩背部的细胞本来具有产生水晶体的能力,正常水晶体会产生一种物质,对此起抑制作用。
(3)细胞数量效应 当小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时,可发育成具有功能的胰腺组织,但是,如果把胰腺原基切成8小块分别培养,则都不能形成胰腺组织;如果再把分开的小块合起来,又可形成胰腺组织。可见细胞数量对诱导组织形成可能也是必要的。
(4)细胞外基质 细胞外基质在胚胎发育和细胞分化中也具有重要的作用。
(5)激素的作用 激素对细胞分化的影响可看做是远距离细胞间的相互作用,如昆虫的保幼激素和蜕皮激素。前者的功能是保持幼虫特征,促进成虫器官原基的发育,后者的功能是促进蜕皮和成虫形成的出现。当两者保持一定的比例时,幼虫化蛹,变为成虫。成虫期又开始合成保幼激素,促进性腺的发育。

细胞核

在细胞分化中,细胞核起决定作用。一般认为细胞核内含有该种生物的全套遗传信息。在条件具备时,它可使所在细胞发育分化为由各种类型细胞所组成的完整个体。从培养的烟草,髓部小块形成的组织团块上取脱落的细胞,单个分离培养能得到有根和叶的幼芽,再移植到土壤中,会长出开花的植物,说明植物体细胞具有全能性。在两栖类,把囊胚期和早期原肠胚细胞核移植到事先已经去掉细胞核的卵内能使卵正常发育,说明动物(含核)体细胞的核是具有全能性的。

细胞质

分化与细胞质之间的关系可以从卵质谈起。如马副蛔虫受精后,所有经过染色体消减的细胞都发育为体细胞(见生殖质)。
许多动物卵子细胞质的分布有明显的区域性。这种区域性虽然不影响染色体的行为,但对于以后胚胎器官发育却有决定性作用。
中国胚胎学家童第周等利用核移植的技术,也证实了卵质在性状发生中的作用。他们把金鱼囊胚期细胞核移到去核的鳑鲏鱼卵子中;虽然发育到幼鱼的例子极少,但是发育的过程都比较正常,一些基本的发育的特点,如胚胎的背腹性,对称性以及早期的卵裂进程等都和鳑鲏鱼一样,幼鱼的体形也和鳑鲏鱼的幼鱼没有区别。这些性状的出现似乎完全根据细胞质。
细胞质对细胞核的作用,还表现在对核功能活动的影响。如培养的人宫颈上皮癌细胞——HeLa细胞——的DNA和RNA合成都很活跃;鸡的红细胞虽然有核,但是处于不活跃状态,不进行DNA合成,RNA合成也很微弱。用细胞融合的方法,使去掉细胞核的HeLa细胞的细胞质和鸡的红细胞融合,便可使后者的细胞核体积增大,浓缩的染色质变得松散,原来已经失去的合成RNA和DNA的功能在寄主HeLa细胞质的影响下,重新恢复了。

分子机制

(1)染色体结构的变化与细胞分化
基因剔除 某些原生动物、昆虫和甲壳动物在细胞分化过程中有部分染色体丢失的现象。如,以马蛔虫的一个变种(2n=4),当个体发育到一定阶段时,在将要分化为体细胞的那些细胞中,染色体破裂为碎片,含有着丝粒的碎片在细胞分裂中保留,不具有着丝粒的碎片在分裂中丢失。不过,预定形成生殖细胞的那些细胞中不发生染色体的断裂和丢失现象。
基因扩增 基因扩增是指细胞内特定基因的拷贝数专一性大量增加的现象。如,在卵裂和胚胎发育过程中,爪蟾卵母细胞中的rDNA基因大量扩增而形成大量核糖体,以供大量合成蛋白质所需;在果蝇的唾腺细胞中,由于DNA复制而核不分裂,很容易观察到多线染色体。
基因重排 哺乳动物能产生10 6-10 8种抗体,但并不意味细胞内具有相应数量的基因,免疫球蛋白是异四聚体结构,除重链和轻链的随机组合以外,免疫球蛋白的多样性主要来源于基因的重新组合。从这一点来看淋巴细胞的分化是不可逆的。
DNA的甲基化 脊椎动物一些基因的活性与基因调控区域或其周围特定胞嘧啶的甲基化有关,甲基化使基因失活,相应地非甲基化和低甲基化能活化基因的表达。细胞内的基因可分为持家基因和奢侈基因,前者是维持细胞生存不可缺少的,后者与细胞分化有关,是与组织特异性表达有关的基因,在特定组织中保持非甲基化或低甲基化状态,而在其他组织中呈甲基化状态。
(2)基因与细胞分化
无论是母体mRNA的作用还是细胞的相互作用,其结果是启动特定基因的表达。因此细胞分化的实质是基因选择性表达。即特定的基因在特定的时间内在特定的组织中表达的结果。
受精卵发育为新个体,是受一系列基因调控的,这些基因在发育过程中,按照时间、空间顺序启动和关闭,互相协调,对胚胎细胞的生长和分化进行调节。
细胞分化中基因表达的调节控制是一个十分复杂的过程,在蛋白质合成的各个水平,从mRNA的转录、加工到翻译,都会有调控的机制。在DNA水平也存在调控机制(如基因的丢失、放大、移位重组、修筛以及染色质结构的变化等)。不同的细胞在其发育中的基因表达的调节控制不同;相同的细胞在其发育的各阶段中,调节控制的机制不同。

分化潜能的比较


  
细胞分化 细胞全能性
原因 细胞内基因选择性表达 含有本物种全套遗传信息
特点
①持久性
②稳定性和不可逆性
③普遍性
注:详情请见本词条首
①高度分化的植物细胞在离体的情况下,在一定的营养物质、激素和其他适宜的外界条件下,才能表现其全能性。
②动物已分化的体细胞全能性受限制,但细胞核仍具有全能性。
结果
形成形态、结构、功能不同的细胞 形成新的个体
潜能简介
受精卵能够分化出各种细胞、组织,形成一个完整的个体,所以把受精卵的分化潜能称为全能性。随着分化发育的进程,细胞逐渐丧失其分化潜能。从全能性到多能性,再到单能性,最后失去分化潜能成为成熟定型的细胞。
植物的枝、叶、根都有可能长成一株完整的植株,细胞培养的结果也证明即使高度分化的植物细胞也可以培养成一个完整的植株,因此可以说绝多数植物细胞具有全能性。
成熟动物细胞显然不具备全能性。其原因并非在细胞核而在细胞质,如大量的核移殖实验证实,分化细胞的核仍保留完整的基因组DNA。我国发育生物学家童第周1978年成功地将黑斑蛙成熟的细胞核移入去核的受精卵细胞内,培育出了蝌蚪。60年代的爪蟾和80年代小鼠的核移殖,90年代末多利羊的诞生都证明了分化细胞具有完整的基因组DNA。
在人的一生中,皮肤、小肠和血液等组织需要不断地更新,这个任务是由干细胞完成的。干细胞是一类具有分裂和分化能力的细胞,多能干细胞可以分化出多种类型的细胞,但它不可能分化出足以构成完整个体的所有细胞,所以多能干细胞的分化潜能称为多能性(pluripotent)。单能干细胞来源于多能干细胞,具有向特定细胞系分化的能力,也称为祖细胞(progenitor)。

干细胞的特点

干细胞具有以下生物学特点:①终生保持未分化或低分化特征;②在机体的中的数目、位置相对恒定;③具有自我更新能力;④能无限制的分裂增殖;⑤具有多向分化潜能,能分化成不同类型的组织细胞,造血干细胞、骨髓间充质干细胞、神经干细胞等成体干细胞具有一定的跨系、甚至跨胚层分化的潜能;⑥分裂的慢周期性,绝大多数干细胞处于G0期;⑦通过两种方式分裂,对称分裂和不对称分裂前者形成两个相同的干细胞,后者形成一个干细胞和一个祖细胞。
根据干细胞的分化能力,可以分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。全能干细胞可以分化为机体内的任何一种细胞,直至形成一个复杂的有机体。多能干细胞可以分化为多种类型的细胞,如造血干细胞可以分化为12种血细胞
有些文献中将分化潜能更广的细胞叫做多潜能干细胞(pluripotent stem cell),如骨髓间充质干细胞,而把向某一组织类型细胞分化的干细胞叫做多能干细胞(multipotent stem cell),如前面提到的造血干细胞。单能干细胞只能分化为一种类型的细胞,而且自我更新能力有限。

胚胎干细胞

根据个体发育过程中出现的先后次序不同,干细胞又可分为胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESC)是指从胚胎内细胞团原始生殖细胞筛选分离出的具有多能性或全能性的细胞,此外也可以通过体细胞核移植技术获得。ESC能表达POU家族的转录因子Oct-3/4;在移植后能形成的畸胎瘤,在体外适当条件下能分化为代表三胚层结构的体细胞。
ESC的用途主要有:①克隆动物,由体细胞作为核供体进行克隆动物生产,虽然易于取材,但克隆动物个体中表现出严重的生理或免疫缺陷,而且多为致命性的;②转基因动物,以ESC细胞作为载体,可大大加快转基因动物生产的速度,提高成功率;③组织工程,人工诱导ESC定向分化,培育出特定的组织和器官,用于医学治疗的目的。

再生

狭义地讲再生指生物的器官损伤后,剩余的部分长出与原来形态功能相同的结构的现象称为再生,如壁虎的尾、蝾螈的肢、螃蟹的足,在失去后又可重新形成,海参可以形成全部内脏,水螅、蚯蚓、蜗虫等低等动物的每一段都可以形成一个完整的个体等等。但是从广义的角度来看再生是生命的普遍现象,从分子、细胞到组织器官都具有再生现象。
再生的形式:
生理性再生:即细胞更新,如人体内每秒中约有600万个新生的红细胞替代相同数量死亡的红细胞。
修复性再生:许多无脊椎动物用这种方式来形成失去的器官,如上述提到的壁虎的尾和螃蟹的肢。
重建:是人工实验条件下的特殊现象。如人为将水螅的一片组织分散成单个细胞。在悬液中,这些细胞重新聚集,在几天至几周以后,形成一条新的水螅。
关于再生存在着许多引人入胜的问题:
1.机体如何意识到失去的部分,又是如何知道丢失的部位及丢失的多少?即再生如何起始,如何控制?
2.替代物来此何处?是剩余的原胚细胞、干细胞还是已分化的细胞又去分化的结果?
3.原结构的重建是补充的新组织,还是由伤口处一些细胞增殖代替了缺失的结构。
现在普遍认为再生是细胞去分化,细胞迁移和细胞增殖的组合,而不是单纯的补充或增殖。如蝾螈的前肢被切除后,再生包括以下的过程:①伤口处细胞的粘着性减弱,通过变形运动移向伤口。形成单层细胞封闭伤口。这层细胞称为顶帽(apical cap)或顶外胚层帽(apical ectodermal cap)。②顶帽下方的细胞,如骨细胞软骨细胞,成纤维细胞,肌细胞,神经胶质细胞迅速去分化。形成胚芽。③胚芽内部缺氧,PH下降,提高了溶酶体的活性,促进受伤组织的清除。④胚芽细胞加快分裂和生长,最后细胞又开始分化构成一个新的肢体。
从蝾螈断肢再生的实验发现,①当臂神经被完全切除时不再发生断肢再生。这是因为神经能产生再生促进因子,其中有一种被鉴定为神经胶质生长因子(glial growth factor,GGF)。②利用视黄酸处理前臂断肢芽基,肢干将忽略已存在的肱骨、桡骨、尺骨,而形成一只从肱骨到指骨的完整手臂。说明视黄酸能干扰正常的位置信息,现在认为位置信息与同源异形基因的表达有关。

分化程度

肿瘤患者经常会听到类似"高分化鳞癌" ,"低分化腺癌" 等专业术语。大多病人在患病之初往往不了解这些术语的意义。现在我们就来介绍一个关于癌细胞非常关键的一个术语--肿瘤细胞分化程度(Differentiation)。
所谓分化程度就是指肿瘤细胞接近于正常细胞的程度。分化得越好(称为"高分化")就意味着肿瘤细胞越接近相应的正常发源组织;而分化较低的细胞(称为"低分化" 或"未分化")和相应的正常发源组织区别就越大,肿瘤的恶性程度也相对较大。
按照肿瘤分化的程度,病理专家通常将其分为三个病理等级,并用英文字母G(代表Grade, 即分化) 来表示。级别越高表示细胞分化程度越差。
G1,即高分化,细胞分化程度较好。一般来说,G1的肿瘤细胞分裂速度较慢。
G2,即中分化,细胞分化程度居中。
G3,即低分化,细胞分化程度较差。肿瘤细胞分裂速度较快。
可以说肿瘤细胞的分化程度越差,它的恶性程度就越高,肿瘤体生长较迅速,而且容易发生转移。分化好的肿瘤一般生长较慢,而且在治疗后不易复发。但是,对不同肿瘤来说,肿瘤细胞的分化程度和病人的治疗并不一定都有直接关系。 从治疗的角度上来说,某些分化程度低的细胞对于化疗和放疗更敏感,换言之,这些分化程度越低的肿瘤越容易通过化放疗来治疗。因此,并非高分化肿瘤的预后都好于低分化肿瘤。比如常见的血液恶疾淋巴癌,某些中高分化的淋巴癌通过化疗和放疗的联合治疗方法,治愈率可达40%左右。而大多的慢性淋巴癌(属低分化) ,病情的发展往往非常缓慢,可持续几年甚至十几年,但药物治疗对慢性淋巴癌却几乎没有治愈的效果。鼻咽癌的诊治中也有类似的情况。又如口腔或咽喉部鳞癌,肿瘤细胞的分化程度和病人的预后则没有直接关联。
总之,对于不同的肿瘤来说,细胞的分化程度有着不同的意义。肿瘤细胞的分化程度是癌症诊断和治疗中一个重要的参考的数据,但治疗的效果,还是需要结合癌症的种类,分期,治疗方法来综合判断。