細胞生物學/細胞分化的基本概念
多細胞生物個體發育過程與細胞分化潛能
編輯細胞分化是個體發育過程中細胞在結構和功能上發生差異的過程。多細胞生物的個體發育一般包括胚胎發育和胚後發育兩個階段,前者包括卵裂、囊胚、原腸胚、神經軸胚期及器官發生等階段,衍生出與親代相似的幼小個體;後者則是幼體從卵膜孵化出或從母體分挽以後,經幼年、成年、老年直至衰老、死亡的過程。細胞分化貫穿於個體發育的全過程,其中胚胎期最明顯。
動物和人類胚胎的三胚層代表不同類型細胞的分化去向
編輯卵細胞在受精後立刻進入反覆的有絲分裂階段,這一快速的分裂時期稱為卵裂(cleavage)。動物早期胚胎發育中受精卵經過卵裂被分割成許多小細胞,這些小細胞組成的中空球形體被稱為囊胚(blastula)。囊胚形成後,便進入原腸形成(gastrulation)期。原腸胚期之前,細胞間並無可識別的明顯差異。在原腸胚期,產生了內、中、外三個胚層,它們具有不同的發育和分化去向:內胚層(endoderm)將發育為消化道及其附屬器官、唾液腺、胰腺、肝臟以及肺等的上皮成分;中胚層(mesoderm)將發育成骨骼、肌肉、纖維組織和真皮,以及心血管系統和泌尿系統;外胚層(ectoderm)則形成神經系統、表皮及其附屬物。
細胞分化的潛能隨個體發育進程逐漸「縮窄」
編輯隨着個體發育進程,來源於單一受精卯的細胞逐漸產生出形態結構、功能和生化特徵各不相同的細胞類群,其結果在空間上細胞產生差異,在時間上同一細胞和從前的狀態有所不同。研究表明,兩棲類動物在囊胚形成之前的卵裂球細胞、哺乳動物桑甚胚的8細胞期之前的細胞和其受精卵一樣,均能在一定條件下分化發育成為完整的個體。通常將具有這種特性的細胞稱為全能性細胞(totipotent cell)。在三胚層形成後,由於細胞所處的空間位置和微環境的差異,細胞的分化潛能受到限制,各胚層細胞只能向本胚層組織和器官的方向分化發育,而成為多能細胞(pluripotent cell)。經過器官發生(organogenesis), 各種組織細胞的命運最終確定,呈單能(unipotency)化。這種在胚胎發育過程中,細胞逐漸由「全能」 到「多能」,最後向「單能」的趨向,是細胞分化的一般規律。
近些年從囊胚內細胞團(inner cell mass, ICM)中分離到的胚胎幹細胞(embryonic stem cell, ES細胞),它們具有分化成熟為個體中所有細胞類型的能力,但不能分化為胎盤和其他一些發育時所需的胚外組織,這種早期胚胎細胞被稱為多能幹細胞(pluripotent stem cell, multipotential stem cell)。因此,從幹細胞角度看細胞分化,細胞呈現出由「全能幹細胞」到「多能幹細胞」,最後向「定向幹細胞」和「前體細胞」的趨向。
應當指出的是,大多數植物和少數低等動物(如水螅)的體細胞仍具有全能性;而在高等動物和人類,至成體期,除一些組織器官保留了部分微分化的組織幹細胞之外,其餘均為終末分化細胞。
終末分化細胞的細胞核具有全能性
編輯動物受精卵子代細胞的全能性隨其發育過程逐漸受到限制而變窄,即由全能性細胞轉化為多能和單能幹細胞,直至分化為終末細胞。但在細胞核則完全不同,終末分化細胞的細胞核仍然具有全能性,謂之全能性細胞核(totipotent nucleus)。20世紀60年代初期,用非洲爪贍為材料,進行的核移植實驗首次證明了終末分化細胞的細胞核具有全能性。1997年,英國愛丁堡Roslin研究所工作人員將成年綿羊乳腺上皮細胞的細胞核移植到另一隻羊的去核卵細胞中,成功地克隆出世界上第一隻哺乳動物——「多莉」(Dolly)羊。繼之,世界上有多個實驗室培育出包括非人靈長類動物稱猴在內的多種體細胞克隆動物。這些實驗結果表明,已特化的體細胞的細胞核仍保留形成正常個體的全套基因,具有發育成一個有機體的潛能。
細胞決定與細胞分化
編輯細胞決定先於細胞分化並制約着分化的方向
編輯在個體發育過程中,細胞在發生可識別的分化特徵之前就已經確定了未來的發育命運,只能向特定方向分化的狀態,稱之為細胞決定(cell determination)。在原腸期的內、中、外三胚層形成時,雖然在形態上看不出有什麼差異,但此時形成各器官的預定區已經確定,每個預定區決定了它只能按一定的規律發育分化成特定的組織、器官和系統。
細胞決定可通過胚胎移植實驗(grafting experiment)予以證明。例如在兩棲類胚胎,如果將原腸胚早期預定發育為表皮的細胞(供體)移植到另一個胚胎(受體)預定發育為腦組織的區域,供體表皮細胞在受體胚胎中將發育成腦組織,而到原腸胚晚期階段移植時則仍將發育成表皮。這表明,在兩棲類的早期原腸胚和晚期原腸胚之間的某個時期便開始了細胞決定,一旦決定之後,即使外界的因素不復存在,細胞仍然按照巳經決定的命運進行分化。
細胞的分化去向源於細胞決定,是什麼因素決定了胚胎細胞的分化方向?迄今尚不清楚。現有研究資料提示,有兩種因素在細胞決定中起重要作用: 一是卵細胞的極性與早期胚胎細胞的不對稱分裂,二是發育早期胚胎細胞所處的位置差異及胚胎細胞間的相互作用。細胞的不對稱分裂是指存在於核酸蛋白顆粒(RNP)中的轉錄因子mRNA在細胞質中的分布是不均等的,當細胞分裂時,這些決定因素(mRNA)被不均勻地分配到兩個子細胞中,結果造成兩個子細胞命運的差異。
細胞決定具有遺傳穩定性
編輯細胞決定表現出遺傳穩定性,典型的例子是果蠅成蟲盤細胞的移植實驗。成蟲盤是幼蟲體內已決定的尚未分化的細胞團,在幼蟲發育的變態期之後,不同的成蟲盤可以逐漸發育為果蠅的腿、翅、觸角等成體結構。如果將成蟲盤的部分細胞移植到一個成體果蠅腹腔內,成蟲盤可以不斷增殖並一直保待於未分化狀態,即使在果蠅腹腔中移植多次、經歷1800代之後再移植到幼蟲體內,被移植的成蟲盤細胞在幼蟲變態時,仍能發育成相應的成體結構。這說明果蠅成蟲盤細胞的決定狀態是非常穩定並可遺傳的。
人們在認識到細胞決定的穩定性和可遺傳性的同時,也開始探索細胞決定的可逆性。在果蠅研究中發現,有時某種培養的成蟲盤細胞會出現不按已決定的分化類型發育,而是生長出不是相應的成體結構,發生了轉決定(transdetermination)。探討轉決定的發生機制對了解胚胎細胞命運的決定具有重要意義。
細胞命運的決定機制一直是細胞分化研究的重要課題。近年來有關細胞命運決定的主要研究策略:一是利用模式生物,分析選擇性干預(如基因敲除)早期胚胎中某個基因的表達對內、中、外三胚層形成的影響;二是基於ES細胞,尋找決定ES細胞向三胚層細胞分化的決定因子。
細胞分化的可塑性
編輯一般地,細胞分化具有高度的穩定性。細胞分化的穩定性(stab山ty)是指在正常生理條件下,已經分化為某種特異的、穩定類型的細胞一般不可能逆轉到未分化狀態或者成為其他類型的分化細胞。例如,神經元在整個生命過程中都保持着特定的分化狀態。已分化的終末細胞在形態結構和功能上保持穩定是個體生命活動的基礎。細胞分化的穩定性還表現在離體培養的細胞,例如,一個離體培養的皮膚上皮細胞保持為上皮而不轉變為其他類型的細胞;黑色素細胞在體外培養30多代後仍能合成黑色素。然而,在特定條件下細胞分化又表現出一定的可塑性。細胞分化的可塑性(plasticity)是指已分化的細胞在特殊條件下重新進入未分化狀態或轉分化為另一種類型細胞的現象。細胞分化的可塑性是目前生物醫學研究的熱點領域。
已分化的細胞可發生去分化
編輯一般情況下,細胞分化過程是不可逆的。然而在某些條件下,分化了的細胞也不穩定,其基因活動模式也可發生可逆性的變化,而又回到未分化狀態,這一變化過程稱為去分化(dedifferentiation)。高度分化的植物細胞可失去分化特性,重新進入未分化狀態,成為能夠發育分化為一株完整植物的全能性細胞,這可以在實驗室的培養條件下達到,也可以在營養體繁殖過程中出現。在動物和人類,體細胞部分去分化的例子較多(如蠑螈肢體再生時形成的胚芽細胞及人類的各種腫瘤細胞等),但體細胞通常難以完全去分化而成為全能性細胞。
目前,儘管入們對生物個體中發生去分化現象機制的認識不清,但近些年幹細胞領域研究的進步,已能通過人為手段成功地將分化成熟細胞逆轉為未分化細胞,此即細胞重編程(cellular reprogramming)。前面講到的基於體細胞核移植技術進行的動物克隆實驗就是細胞重編程的例子。然而細胞重編程概念的真正形成和發展,源於2006年日本科學家S. Yamanaka(山中伸彌)等人的工作。山中伸彌藉助逆轉錄病毒載體,將四個轉錄因子(Oct3/4、Sox2、c-Myc、Klf4)基因導入小鼠皮膚成纖維細胞(fibroblast)中,可以使來自胚胎小鼠或成年小鼠的成纖維細胞獲得類似胚胎幹細胞(embryonic stem cell)的多能性。一般將通過這種方法獲得的多能性細胞稱為誘導多能幹細胞(induced pluripotent stem cells, iPS細胞)。繼山中伸彌的工作之後,有關基於基因轉移技術的細胞重編程研究成果層出不窮。應用細胞重編程技術直接將體細胞(成纖維細胞)轉變為組織幹細胞如造血幹細胞、神經幹細胞及肝幹細胞等也是近年來的熱點領域。此外,在細胞重編程策略研究上,許多研究者也寄希望繞開基因轉移步驟,試圖尋找能夠啟動細胞發生重編程的小分子化合物。
特定條件下已分化的細胞可轉分化為另一種類型細胞
編輯在高度分化的動物細胞中還可見到另一種現象,即從一種分化狀態轉變為另一種分化狀態,這種情況稱為轉分化(transdifferentiating)。
細胞通過轉分化能形成一種發育相關的細胞類型。典型的例子可見於腎上腺的嗜鉻細胞。體積較小的嗜鉻細胞源於神經嵴並且分泌腎上腺素入血。在培養條件下,加入糖皮質激素可以維持嗜鉻細胞的表型,但是當去除甾體激素並在培養基中加入神經生長因子之後,嗜鉻細胞轉分化成交感神經元,這些神經元比嗜鉻細胞大,帶有樹突樣和軸突樣突起,並且分泌去甲腎上腺素而非腎上腺素。另一個轉分化的例子是,如果把雞胚視網膜色素上皮細胞置於特定培養條件下,細胞色素則漸漸消失並且細胞開始呈現晶體細胞的結構特徵,並產生晶體特異性蛋白一晶體蛋白。上面的兩個例子,通過轉分化生成了一種發育相關的細胞類型:交感神經元和嗜銘細胞均來源於神經嵴;色素細胞和晶體細胞均來源於外胚層並且涉及眼的發育。
通過轉分化形成不同發育類型細胞的例子也較常見。例如,水母橫紋肌可由一種細胞類型連續轉分化成兩種不同類型的細胞。離體的橫紋肌與其相關的細胞外基質共同培養時,可以保持橫紋肌的狀態。在用能降解細胞外基質的酶處理培養組織之後,細胞將形成一個聚合體,其中有些細胞在1~2天內轉分化為平滑肌細胞,繼續培養時,可形成第二種類型的細胞一神經元。另一些例子是:經生肌蛋白(myogenin)基因MyoD轉染的成纖維細胞或脂肪細胞可轉分化為成肌細胞;生命周期較長的神經元,一且分化就不再分裂,且分化狀態穩定許多年,但近些年研究發現,在特定條件下可轉變為血細胞和脂肪細胞。
必須指出的是,無論是動物還是植物,細胞分化的穩定性是普遍存在的,可以認為分化具有單向性、序列性和終末性(一般情況下都會到達分化的目標終點,成為終末分化細胞),而去分化是逆向運動,轉分化是轉序列運動。發生細胞的轉分化或去分化是有條件的:①細胞核必須處於有利於分化逆轉環境中;②分化能力的逆轉必須具有相應的遺傳物質基礎。通常情況下,細胞分化的逆轉易發生於具有增殖能力的組織中。
細胞分化的時空性
編輯在個體發育過程中,多細胞生物細胞既有時間上的分化,也有空間上的分化。一個細胞在不同的發育階段可以有不同的形態結構和功能,即時間上的分化;同一種細胞的後代,由於每種細胞所處的空間位置不同,其環境也不一樣,可以有不同的形態和功能,即空間上的分化。在高等動植物個體胚胎發育過程中,隨着細胞數目的不斷增加,細胞的分化程度越來越複雜,細胞間的差異也越來越大;同一個體的細胞由於所處的空間位置不同而確定了細胞的發育命運,出現頭與尾、背與腹等不同。這些時空差異為形成功能各異的多種組織和器官提供了基礎。
細胞分裂與細胞分化
編輯細胞分裂和細胞分化是多細胞生物個體發育過程中的兩個重要事件,兩者之間有密切的聯繫。通常細胞在增殖(細胞分裂)的基礎上進行分化,而早期胚胎細胞的不對稱分裂所引起的細胞質中轉錄因子的差異制約着細胞的分化方向和進程。細胞分化發生於細胞分裂的G1期,在早期胚胎發育階段特別是卵裂過程中,細胞快速分裂,G1期很短或幾乎沒有G1期,此時細胞分化減慢。細胞分裂旺盛時分化變緩,分化較高時分裂速度減慢是個體生長發育的一般規律。例如哺乳動物的表皮角化層細胞等終末細胞分化程度較高,分裂頻率明顯減慢,而高度分化的細胞,如神經元和心肌細胞則很少分裂或完全失去分裂能力。