第十二章細胞分化

1、第十二章 細胞分化第二節(jié) 細胞分化的主要機制前面提到細胞分化是指細胞后代在形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生差異的過程，通過細胞分化，使 具有相同遺傳組成的細胞，選擇性地表達不同的基因，產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)蛋白、執(zhí)行不同的功能， 共同參與構(gòu)成一個復(fù)雜的細胞社會個體， 所以細胞分化的實質(zhì)是基因的差別表達 ( differential expression)。細胞分化與形態(tài)發(fā)生(morphogenesis)是相互聯(lián)系在一起的，后者是指通過細胞的 增殖、分化和行為(如粘附、遷移、凋亡)塑造組織、器官和個體形態(tài)的過程。隨著細胞的分裂和分化，細胞的發(fā)育方向逐漸被限定，當(dāng)尚未定向的細胞不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)槟撤N定向細胞的時刻， 細胞

2、的命運就被固定了，因而也稱之為決定 (determ in ation)，如哺乳動物桑椹胚的內(nèi)細胞團和外圍細胞，前者形成胚胎、后者形成滋養(yǎng)層。不同種屬動物，其早期胚胎細胞出現(xiàn)決定的時間不同。無脊椎動物早期的卵裂球已經(jīng)決定， 每個卵裂球可以形成身體的一部分， 但是任何一部分卵裂球都不能發(fā)育為完整的個體。 而哺乳類 胚胎在 8細胞期以內(nèi)，任何一個細胞都具有發(fā)育為一個個體的能力，即使在16 細胞期，仍可發(fā)現(xiàn)個別細胞具有獨立發(fā)育成后代的能力。細胞分化的機理及其復(fù)雜，概括而言細胞的分化命運取決于兩個方面：一是細胞的內(nèi)部特 性，二是細胞的外部環(huán)境，前者與細胞的不對稱分裂( asymmetric divisi

3、on )以及隨機狀態(tài)有關(guān)， 尤其是不對稱分裂使細胞內(nèi)部得到不同的基因調(diào)控成分， 表現(xiàn)出一種不同于其它細胞的核質(zhì)關(guān)系 和應(yīng)答信號的能力； 后者表現(xiàn)為細胞應(yīng)答不同的環(huán)境信號， 啟動特殊的基因表達， 產(chǎn)生不同的細 胞的行為，如分裂、生長、遷移、粘附、凋亡等，這些行為在形態(tài)發(fā)生中具有極其重要的作用。以下我們對細胞的不對稱分裂、誘導(dǎo)機制、細胞數(shù)量控制、細胞行為變化等分化和發(fā)育的 主要機制作簡要地介紹。一、不對稱分裂動物受精卵并不是均一結(jié)構(gòu)，而是具有高度的異質(zhì)性。首先，卵母細胞的核并不位于中央， 而是在細胞外周靠近表面的地方，極體就是從這里形成并釋放出長的(圖12-3) ，通常把極體釋放的位點稱為北極或動

4、物極， 而相對的一極稱為南極或植物極。 其次，卵細胞中的蛋白質(zhì)、 mRNA 并非均勻分布的，而是定位于特定的空間。動物卵細胞中，貯存有 2-5 萬種不同的 mRNA ，專供受精卵的啟動、分化和發(fā)育之用，用 轉(zhuǎn)錄抑制劑放線菌素 D 處理海膽受精卵， 使 RNA 的合成受到抑制， 胚胎發(fā)育仍能進行至囊胚期， 但如用蛋白質(zhì)翻譯抑制劑嘌呤霉素或亞胺環(huán)己酮處理受精卵，則受精卵完全停止分化發(fā)育。卵的異質(zhì)性使卵的分裂必然是不對稱的，不同的子細胞得到的家產(chǎn)”不同，因此具有不同的分化命運，例如昆蟲是以表面卵裂的方式形成胚層細胞的，遷入卵的后端極質(zhì)部的細胞發(fā)育為原始生殖細胞，用紫外線照射卵的這一區(qū)域，破壞極質(zhì)，將

5、會發(fā)育為無生殖細胞的不育個體。在胚胎發(fā)育階段，不對稱分裂是常見的現(xiàn)象，如果蠅神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生時，成神經(jīng)細胞經(jīng)過連續(xù)不對稱分裂，像出芽的一樣產(chǎn)生一些小細胞，這些小細胞是神經(jīng)節(jié)母細胞(ganglion mothercells)，再經(jīng)過一次分裂形成神經(jīng)元或神經(jīng)膠質(zhì)細胞。在哺乳動物中，干細胞的分裂也是不對稱 的，產(chǎn)生一個祖細胞和另一個干細胞，祖細胞只具有有限的自我更新能力，只能分化為終端細胞。二、誘導(dǎo)機制誘導(dǎo)(induction )就是一部分細胞誘導(dǎo)其它細胞向特定方向分化的現(xiàn)象，也叫胚胎誘導(dǎo)(embryo nic in duction)，對其它細胞起誘導(dǎo)作用的細胞稱為誘導(dǎo)者(in ductor )或組織者

6、，如脊索可誘導(dǎo)其頂部的外胚層發(fā)育成神經(jīng)板，神經(jīng)溝和神經(jīng)管。這種誘導(dǎo)是通過信號來實現(xiàn)的，其中有些誘導(dǎo)信號是短距離的，僅限于相互接觸的細胞間；有些是長距離的，通過擴散作用于靶細胞。通常把響應(yīng)誘導(dǎo)信號的同類細胞叫做形態(tài)發(fā)生場(morphogenetic field )。除了上述的典型的誘導(dǎo)方式外，還有其它一些方式，如：級聯(lián)信號(cascade sig nali ng)、梯度信號(gradie nt sig nali ng )、拮抗信號 (an tago ni stic sig nali ng )、組合信號 (comb in atorial sig nali ng )、側(cè)向信號 (lateral si

7、g nali ng ) 等(圖 12-8 )。表1 一些誘導(dǎo)信號信號途徑配體受體拮抗物受體酪氨酸激酶EGFEGF受體ArgosFGF (branchless)FGF受體ephri nsEph 受體TGFB家族TGF3TGF3 受體BMP (Dpp)BMP受體Chord in (Sog) ,no ggi nNodalWNTWNTFrizzledDikkopf , sFRP, CerberusHedgehogHedgehogNotchDeltaNotchFringeA. Inductive 5ignaflngB. Gradient signalingU AntagonistD* CacadG si

8、gnalingE* Combinatorial signalingF. Lateral signaling圖 12-8 誘導(dǎo)信號的作用方式引自 Thomas Edlund and Thomas M. Jessell 1999級聯(lián)信號：初級誘導(dǎo)產(chǎn)生的組織又可以誘導(dǎo)其他組織的分化，產(chǎn)生逐級的誘導(dǎo)過程，最典 型的事例是視胞可誘導(dǎo)其外面的外胚層形成晶體，而晶體又可誘導(dǎo)外胚層形成角膜。梯度信號：外界信號呈梯度分布，細胞具有不同的響應(yīng)閾濃度，導(dǎo)致不同的分化命運，隨 著外界信號濃度高低的不同，細胞的分化結(jié)果也不同，通常把在一個細胞或一個形態(tài)發(fā)生場中， 按濃度梯度決定胚胎分化形式的信號分子叫做成形素(morp

9、hogen)。在果蠅中，胚胎的前后軸和背腹軸就是通過這種梯度信號來控制的。拮抗信號：細胞分泌物能與某些信號途徑的配體或受體結(jié)合，阻斷信號途徑。令人感到驚訝的是，許多形態(tài)發(fā)生的事件竟然是由信號系統(tǒng)的拮抗分子引起的，例如蛙類神經(jīng)系統(tǒng)的形態(tài)發(fā)生場，即可發(fā)育為神經(jīng)細胞、也可發(fā)育為上皮細胞，其誘導(dǎo)者釋放Chordin，能促進神經(jīng)細胞的分化，但是Chordin并沒有自己的信號途徑， 而是抑制BMP/TGF 信號途徑，后者能促進上皮細 胞的發(fā)育。組合信號：一種信號分子決定靶細胞的一種分化命運，而兩種信號分子則引起另外一種分 化途徑。側(cè)向信號：細胞間的信號分子只有細微水平的差別，通過快速的反饋調(diào)節(jié)，使信號放大

10、, 決定了細胞的分化特性。如 Notch 信號途徑在果蠅中可以觸發(fā)側(cè)向抑制（ lateral inhibition ），使 正在分化的神經(jīng)元周圍的前體細胞不再分化為神經(jīng)元， 而發(fā)育成上皮細胞。 當(dāng) Notch 或其配體功 能缺陷時，這種側(cè)向抑制消失，神經(jīng)元產(chǎn)生過多，導(dǎo)致胚胎死亡。必須說明的是并不是所有的分化事件都是誘導(dǎo)（或細胞的環(huán)境信號）引起的，有些和細胞自身的特性有關(guān)，也就是自發(fā)機制（autonomous mechanism）。譬如，前邊提到的卵的異質(zhì)性和不對稱分裂， 就是典型的事例； 還有一種情況是細胞的隨機狀態(tài)不同， 也會造就分化命運的不同， 例如哺乳動物胚胎直到 8 細胞期， 各個細胞

11、在形態(tài)和分化潛能上沒有本質(zhì)的區(qū)別， 緊密化后處于 內(nèi)部的細胞將來形成內(nèi)細胞團，進一步發(fā)育為胚胎，而處于外部的只能發(fā)育為滋養(yǎng)層。將小鼠4細胞期的分裂球， 移植到緊密化后的細胞團外部， 這些細胞也只能發(fā)育為滋養(yǎng)層。 從這個例子上 我們不難推測在組織和器官的構(gòu)建中，可能也存在著同樣的現(xiàn)象。三、細胞數(shù)量控制我們很容易回答人比老鼠大是因為人的細胞多，但卻很難回答為什么人的細胞多，以及不 同的器官為什么具有各自相對恒定的細胞數(shù)目？細胞數(shù)量控制不僅是發(fā)育中形態(tài)構(gòu)建的重要機 制，也是成體形態(tài)維持的重要機制。 細胞數(shù)量主要取決于細胞分裂和細胞死亡， 這兩者都受外界 信號的調(diào)節(jié)。（一）刺激細胞分裂 早期的卵裂可以

12、看作是一種自發(fā)機制，但是大多數(shù)情況下細胞分裂都依賴于外界信號的刺 激，所以也屬于誘導(dǎo)機制，這種方式意味著在一個細胞社會中，一個細胞只有在當(dāng)別的細胞（或 者說社會）需要它增殖的時候，它才開始增殖。刺激細胞分裂的信號分子主要有：各類細胞因子（如肽類生長因子） 、激素和細胞外基質(zhì)成分。在體外，細胞在沒有生長因子的培養(yǎng)基中周期將會停在G1/S交界處（R點），轉(zhuǎn)變?yōu)镚o期細胞。1 肽類生長因子 肽類生長因子主要通過旁分泌的方式作用于靶細胞，最最有代表性的信號途徑是RPTK-ras途徑，被激活的 MAPK 進入細胞核，促進細胞增殖相關(guān)基因的表達。 Pulkkinen 等（ 2003）發(fā)現(xiàn) 成纖維生長因子及

13、其受體在胰腺原基的生長和分化中起重要的作用，敲除Fgfr2b （成纖維生長因子受體 2）基因的小鼠， 胰腺明顯較小， 導(dǎo)管發(fā)育受阻。 在體外培養(yǎng)時， 加入外源的 Fgfr2b 配體， 則刺激胰腺導(dǎo)管細胞的增殖而抑制內(nèi)分泌細胞的分化。肽類生長因子可能也存在自分泌的方式作用于同類細胞。很早以前人們發(fā)現(xiàn)小鼠胚胎胰腺 原基在體外進行組織培養(yǎng)時， 可發(fā)育成具有功能的胰腺組織， 但如果把胰原基切成 8 小塊分別培 養(yǎng)，則都不能形成胰腺組織，再把分開的小塊合起來，又可形成胰腺組織。推測5可能是細胞 數(shù)量不足，導(dǎo)致自分泌或旁分泌信號不足，使增殖和分化受到抑制。腫瘤可以看作是機體的異常發(fā)育，在腫瘤形成方面也具有

14、同樣的現(xiàn)象，F(xiàn)isher和Fisher（1967）將大量的腫瘤細胞注射到小鼠的門靜脈， 結(jié)果引起廣泛的肝臟轉(zhuǎn)移， 小鼠短期內(nèi)死亡。 但是只注 射 50 個腫瘤細胞時，小鼠處于明顯的無瘤狀態(tài)下生存，進行手術(shù)檢查也未發(fā)現(xiàn)任何腫瘤。手術(shù) 后關(guān)腹（縫合傷口）飼養(yǎng)，卻發(fā)現(xiàn)小鼠很快因肝腫瘤大量增生而死亡，這是因為手術(shù)后傷口愈合 時會分泌大量生長因子， 刺激細胞增殖以修復(fù)傷口， 同時生長因子也會作用于腫瘤細胞。 這個現(xiàn) 象說明了腫瘤細胞只有在達到臨界數(shù)量后，會由于自分泌生長因子而引起爆發(fā)式的增殖。2激素 激素可看作是遠距離細胞間的相互作用，雖然激素分布在整過循環(huán)系統(tǒng)，但它只作用于特 定的靶細胞，促進其生長和

15、分化。最典型的事例是性激素對性分化的影響，在雄性哺乳動物中， 睪丸分泌的激素能促進烏爾夫氏管的發(fā)育，而抑制繆勒氏管7 的發(fā)育，摘除胚胎睪丸，則促進謬勒氏管的發(fā)育， 形成雌性生殖管道。 再如昆蟲的保幼激素和脫皮激素， 前者的功能是保持幼蟲 特征， 促進成蟲器官原基的發(fā)育， 后者的功能是促進脫皮和成蟲形態(tài)的出現(xiàn)， 當(dāng)兩者保持一定的 比例時，幼蟲脫皮而長大，當(dāng)保幼激素含量減少或不合成時，幼蟲化蛹，成蟲器官發(fā)育，最后變 為成蟲。成蟲期又開始合成保幼激素，促進性腺的發(fā)育。3細胞外基質(zhì)細胞外基質(zhì)能引起特定細胞的增殖和分化。 細胞外基質(zhì)中能與細胞表面的整合素相互作用， 激活粘著斑激酶（ FAK）， FAK

16、可以通過接頭蛋白 Grb2（growth receptor bound protein 2）啟動 Ras 信號途徑，引起細胞增殖。在實驗條件下， 細胞外基質(zhì)對干細胞的增殖和分化具有誘導(dǎo)作用， 如干細胞在 IV 型膠原和 層粘連蛋白上演變?yōu)樯掀ぜ毎?在 I 型膠原和纖粘連蛋白上形成纖維細胞； 在 II 型膠原及軟骨粘 連蛋白上發(fā)育為軟骨細胞。 在發(fā)育與創(chuàng)傷組織中， 透明質(zhì)酸合成旺盛。 能促進細胞的增殖和遷移， 阻止細胞的分化， 一旦細胞增殖夠數(shù)則透明質(zhì)酸被水解， 取而代之的是硫酸皮膚素， 硫酸軟骨素 等其它形式的氨基聚糖。（二）抑制細胞分裂 胚胎時期至少有兩種途徑抑制細胞的分裂，一是下調(diào)刺激信

17、號（如肽類生長因子）的水平，二是抑制細胞周期引擎。在肌肉發(fā)生（myogenesis）過程中，屬于 TGF- 3超家族的肌肉抑制素（myostatin）是肌肉生長的負調(diào)控因子，自然界 myostatin基因突變的動物會出現(xiàn)肌肉加倍的表 型（“doublemuscled” phenotype，該基因剔除 的小鼠肌肉組織重量增加2-3倍。肌肉抑制素抑制成肌細胞的增殖是通過上調(diào)細胞周期素依賴性蛋白激酶CDK2 的抑制因子 p21 和下調(diào) CDK2來實現(xiàn)的，CDK2活性不足，使Rb不能釋放轉(zhuǎn)錄因子 E2F,導(dǎo)致細胞不能從 G1期進入S期（圖12-9）。Myostatin是由肌肉細胞分泌的，當(dāng)肌肉細胞的數(shù)

18、量增多后，則抑制細胞的分裂。Myostatin在胚胎時期表達水平較高，但在在成年動物中的表達水平很低，其過度表達會引起肌肉萎縮。1 n uprcffiititfriiThe irttrenc irt vtih tifm public、expre、ion圖12-9 Myostain對肌肉生長的負調(diào)控引自 Heather Arnold 等 2001cydiit-CDK-CDKI I if tu fivereyi/inlyiiitt-CDK icfinr CiitHpiexThe active cyclin-CDKntNttpIrX A /fcedeit JtrrGl-S mut G2 UMyosu

19、ititi則蛙胚不能發(fā)育出正常的心臟,很早以前人們就發(fā)現(xiàn)用含有成蛙心組織的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚, 稱為分化抑制”現(xiàn)象，認為是由于（抑素 chalone）引起的。今天看來這種所謂的“抑素”可能就是Myostatin之類的物質(zhì)。（三）細胞凋亡在發(fā)育中，前體細胞只進行有限次的分裂，就進入終末分化狀態(tài)了。在體外培養(yǎng)時，即使長壽命的細胞，如成纖維細胞最后終將走向衰老和死亡，可見細胞進入終末分化和凋亡，也是控制細胞數(shù)量的一個重要途徑。細胞凋亡（apoptosis）也叫細胞程序性死亡（programmed cell death, PCD）是指在胚胎發(fā)育中有些細胞注定要死亡，這種細胞行為在數(shù)量控制和形態(tài)塑造中都具有

20、重要的意義。就象細胞的增殖需要信號刺激一樣，細胞的存活也需要信號來維持， 說明在一個細胞社會中，細胞的存活 同樣取決于“社會”是否需要它。在動物的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中，最初生成的神經(jīng)細胞的數(shù)目遠比以 后存留的數(shù)目多，是因為那些未能與靶細胞或靶組織建立連接的神經(jīng)元都會發(fā)生凋亡而消失。四、細胞行為外界信號和細胞的固有特征，不僅決定了細胞內(nèi)部的基因表達，而且還影響細胞的行為，使其參與形態(tài)的構(gòu)建和進一步的分化。這些行為主要包括定向分裂(directed mitosis )、差別生長(differential growth )、細胞凋亡(apoptosis)、細胞遷移(migration )、區(qū)別粘附(dif

21、ferential adhesio n)、細胞收縮(con traction )、基質(zhì)膨脹(Matrix swelli ng )、細胞連接(gap jun ction)和細 胞融合(fusion)等(圖12-10)，以下就這些細胞行為作簡單的介紹，關(guān)于細胞凋亡我們將在第 十五章講解。Directed mitosisDifferential growthApoptosisMigrati onDifferential adhesionContractionMatrix modification圖12-10發(fā)育中的細胞行為引自Salazar-Ciudad等(2003)定向分裂：細胞外的信號(如 WN

22、T)能夠影響紡錘體的方向，使細胞沿著某一方向定向分裂，使新產(chǎn)生的細胞定位于某個區(qū)域，通常與不對稱分裂有關(guān)，例如，果蠅腦發(fā)育過程中，神經(jīng)外胚層細胞通過定向分裂產(chǎn)生兩個細胞，一個位于基部變?yōu)槌缮窠?jīng)細胞，另外一個演變?yōu)槌缮掀ゆ锇?epidermoblast)。差別生長：原先存在的圖式(pattern)，由于不同部位的細胞，以不同的速度分裂，塑造組織或器官的形態(tài)，在脊椎動物骨形態(tài)發(fā)生時，長骨生長板就存在這種現(xiàn)象。細胞遷移：是細胞或細胞群由一個區(qū)域遷到另一區(qū)域的過程的現(xiàn)象，是器官和組織發(fā)生過程中所不可缺少的。最典型的例子是原始生殖細胞(primordial germ cell, PGC)的遷移現(xiàn)象，P

23、GC并不是由生殖原基產(chǎn)生的，在不同的生物中它們以不同的方式遷移到生殖原基，如在小鼠中原始生殖細胞首先出現(xiàn)在胚外中胚層，然后出現(xiàn)在尿囊區(qū)，再沿著尿囊區(qū)和腸道向生殖脊移動；再如多功能的神經(jīng)嵴細胞，由神經(jīng)管的背側(cè)方遷移到脊髓的腹側(cè)方形成神經(jīng)節(jié)，遷移到腎上腺形成腎上腺髓質(zhì)，遷移到皮膚形成色素細胞。區(qū)別粘附：指細胞通過表面的糖蛋白與其它細胞表面的糖蛋白或細胞外基質(zhì)之間相互作用，形成暫時或穩(wěn)定的細胞連接。其作用至少包括：通過選擇性的粘附，同類或相關(guān)細胞按一定的 模式聚集在一起，構(gòu)成組織；通過區(qū)別粘附形成突起、內(nèi)陷、囊腔、基板等結(jié)構(gòu)；通過與周 圍的細胞或基質(zhì)不斷的粘附和去粘附實現(xiàn)細胞的遷移；表皮一一間葉細胞

24、轉(zhuǎn)換也是通過區(qū)別粘附實現(xiàn)的。細胞收縮：是由肌動-蛋白肌球蛋白系統(tǒng)實現(xiàn)的，組織形態(tài)的彎曲、外凸和內(nèi)陷與細胞收縮 有關(guān)。如兩棲類的原腸化過程中，瓶狀細胞的收縮是牽引植物極細胞向內(nèi)運動的一個重要方面， 在體外可以觀察到蠑螈早期原腸胚的瓶狀細胞能夠牽引與之相連的細胞的運動?；|(zhì)膨脹、沉積和消失：細胞外基質(zhì)是機體形態(tài)構(gòu)建不可缺少的，如在海膽的原腸形成時，植物極細胞向卵的透明層分泌硫酸軟骨素蛋白聚糖，這種分子能夠大量吸水膨脹，而其外邊的透明層不膨脹，結(jié)果就像加熱的雙層金屬片一樣發(fā)生彎曲，從而完成初期的原腸化。細胞融合：如肌細胞就是由成肌細胞融合而成的合胞體（圖12-11 ）。Myoblni dctormi

25、nndon(D (D (DMyoblal prn|i1fr.t!ion migratioti圖12-11成肌細胞融合成肌管引自Harvey Lodish等1999間隙連接：細胞之間通過間隙連接，來協(xié)調(diào)分化，是最常見的一種形式。在小鼠胚胎的8細胞階段，細胞之間普遍建立了電偶聯(lián)，當(dāng)細胞開始分化后不同細胞之間的電偶聯(lián)逐漸消失，說明間隙連接存在于發(fā)育與分化的特定階段的細胞間。用連接蛋白的抗體處理8細胞階段的胚胎，則引起異常發(fā)育，推測間隙連接具有提供位置信息”的作用。五、細胞結(jié)構(gòu)的變化(一)染色體結(jié)構(gòu)變化 染色體結(jié)構(gòu)的變化包括基因的刪除、擴增、重排和異染色質(zhì)化等。 基因刪除：某些原生動物、昆蟲及甲殼動物

26、細胞分化過程中就有部分染色體丟失的現(xiàn)象，如馬蛔蟲的一個變種(2n=4),當(dāng)個體發(fā)育到一定階段時在將要分化為體細胞的那些細胞中，染 色體破裂為碎片，有些含有著絲粒，在細胞分裂中保留，有的不具有著絲粒，而在分裂中丟失， 但是將形成生殖細胞的那些細胞中不發(fā)生染色體的斷裂和丟失現(xiàn)象。 再如有些介殼蟲的雄性為單 倍體， 但是與蜜蜂不同的是它們來源于受精卵， 將來發(fā)育為雄性的胚胎其細胞會排斥父本染色體 組，成為單倍體，或者使父本染色體組異固縮化，成為生理上的單倍體?；驍U增：基因擴增是指細胞內(nèi)某些特定基因的拷貝數(shù)專一性地大量增加的現(xiàn)象，如爪蟾 的卵母細胞中， rDNA 基因大量擴增以形成大量核糖體，供卵裂和胚胎發(fā)育所用，再如果蠅的卵 巢滋養(yǎng)細胞和唾腺細胞中，