細(xì)胞分化華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院新網(wǎng)站

1、第十二章 細(xì)胞分化 第三節(jié) 細(xì)胞的分化潛能一、全能性、多能性和單能性受精卵能夠分化出各種細(xì)胞、組織，形成一個(gè)完整的個(gè)體，所以把受精卵的分化潛能稱為全能性（totipotent）。隨著分化發(fā)育的進(jìn)程，細(xì)胞逐漸喪失其分化潛能。從全能性到多能性，再到單能性，最后失去分化潛能成為成熟定型的細(xì)胞（圖12-12）。圖12-12 受精卵的全能性植物的枝、葉、根都有可能長(zhǎng)成一株完整的植株，細(xì)胞培養(yǎng)的結(jié)果也證明即使高度分化的植物細(xì)胞也可以培養(yǎng)成一個(gè)完整的植株（圖12-13），因此可以說絕多數(shù)植物細(xì)胞具有全能性。圖12-13 植物細(xì)胞的全能性成熟動(dòng)物細(xì)胞顯然不具備全能性。其原因并非在細(xì)胞核而在細(xì)胞質(zhì)，如大量的核移

2、殖實(shí)驗(yàn)證實(shí)，分化細(xì)胞的核仍保留完整的基因組DNA。我國發(fā)育生物學(xué)家童第周1978年成功地將黑斑蛙成熟的細(xì)胞核移入去核的受精卵細(xì)胞內(nèi)，培育出了蝌蚪。60年代的爪蟾和80年代小鼠的核移殖，90年代末多利羊的誕生都證明了分化細(xì)胞具有完整的基因組DNA。在人的一生中，皮膚、小腸和血液等組織需要不斷地更新，這個(gè)任務(wù)是由干細(xì)胞完成的。干細(xì)胞是一類具有分裂和分化能力的細(xì)胞（圖12-14），多能干細(xì)胞可以分化出多種類型的細(xì)胞，但它不可能分化出足以構(gòu)成完整個(gè)體的所有細(xì)胞，所以多能干細(xì)胞的分化潛能稱為多能性（pluripotent）。單能干細(xì)胞來源于多能干細(xì)胞，具有向特定細(xì)胞系分化的能力，也稱為祖細(xì)胞（proge

3、nitor）。圖12-14 干細(xì)胞的分化潛能二、干細(xì)胞的特點(diǎn)干細(xì)胞具有以下生物學(xué)特點(diǎn)：終生保持未分化或低分化特征；在機(jī)體的中的數(shù)目、位置相對(duì)恒定；具有自我更新能力；能無限制的分裂增殖；具有多向分化潛能，能分化成不同類型的組織細(xì)胞，造血干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞等成體干細(xì)胞具有一定的跨系、甚至跨胚層分化的潛能；分裂的慢周期性，絕大多數(shù)干細(xì)胞處于G0期；通過兩種方式分裂，對(duì)成分裂和不對(duì)稱分裂前者形成兩個(gè)相同的干細(xì)胞，后者形成一個(gè)干細(xì)胞和一個(gè)祖細(xì)胞。根據(jù)干細(xì)胞的分化能力，可以分為全能干細(xì)胞、多能干細(xì)胞和單能干細(xì)胞。全能干細(xì)胞可以分化為機(jī)體內(nèi)的任何一種細(xì)胞，直至形成一個(gè)復(fù)雜的有機(jī)體。多能干細(xì)

4、胞可以分化為多種類型的細(xì)胞，如造血干細(xì)胞可以分化為12種血細(xì)胞。有些文獻(xiàn)中將分化潛能更廣的細(xì)胞叫做多潛能干細(xì)胞（pluripotent stem cell），如骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，而把向某一組織類型細(xì)胞分化的干細(xì)胞叫做多能干細(xì)胞（multipotent stem cell），如前面提到的造血干細(xì)胞。單能干細(xì)胞只能分化為一種類型的細(xì)胞，而且自我更新能力有限。三、胚胎干細(xì)胞根據(jù)個(gè)體發(fā)育過程中出現(xiàn)的先后次序不同，干細(xì)胞又可分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cells，ESC）是指從胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)或原始生殖細(xì)胞篩選分離出的具有多能性或全能性的細(xì)胞，此外也可以通過體細(xì)胞核

5、移植技術(shù)獲得。ESC能表達(dá)POU家族的轉(zhuǎn)錄因子Oct-3/4；在移植后能形成的畸胎瘤，在體外適當(dāng)條件下能分化為代表三胚層結(jié)構(gòu)的體細(xì)胞。ESC的用途主要有：克隆動(dòng)物，由體細(xì)胞作為核供體進(jìn)行克隆動(dòng)物生產(chǎn)，雖然易于取材，但克隆動(dòng)物個(gè)體中表現(xiàn)出嚴(yán)重的生理或免疫缺陷，而且多為致命性的；轉(zhuǎn)基因動(dòng)物，以ESC細(xì)胞作為載體，可大大加快轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)的速度，提高成功率；組織工程，人工誘導(dǎo)ESC定向分化，培育出特定的組織和器官，用于醫(yī)學(xué)治療的目的。四、再生狹義地講再生指生物的器官損傷后，剩余的部分長(zhǎng)出與原來形態(tài)功能相同的結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象稱為再生，如壁虎的尾、蠑螈的肢、螃蟹的足，在失去后又可重新形成，海參可以形成全部?jī)?nèi)臟

6、，水螅、蚯蚓、蝸蟲等低等動(dòng)物的每一段都可以形成一個(gè)完整的個(gè)體等等。但是從廣義的角度來看再生是生命的普遍現(xiàn)象，從分子、細(xì)胞到組織器官都具有再生現(xiàn)象。再生的形式：生理性再生：即細(xì)胞更新，如人體內(nèi)每秒中約有600萬個(gè)新生的紅細(xì)胞替代相同數(shù)量死亡的紅細(xì)胞。修復(fù)性再生：許多無脊椎動(dòng)物用這種方式來形成失去的器官，如上述提到的壁虎的尾和螃蟹的肢。重建：是人工實(shí)驗(yàn)條件下的特殊現(xiàn)象。如人為將水螅的一片組織分散成單個(gè)細(xì)胞。在懸液中，這些細(xì)胞重新聚集，在幾天至幾周以后，形成一條新的水螅。無性繁殖：關(guān)于再生存在著許多引人入勝的問題：1機(jī)體如何意識(shí)到失去的部分，又是如何知道丟失的部位及丟失的多少？即再生如何起始，如何控

7、制？2替代物來此何處？是剩余的原胚細(xì)胞、干細(xì)胞還是已分化的細(xì)胞又去分化的結(jié)果？3原結(jié)構(gòu)的重建是補(bǔ)充的新組織，還是由傷口處一些細(xì)胞增殖代替了缺失的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為再生是細(xì)胞去分化，細(xì)胞遷移和細(xì)胞增殖的組合，而不是單純的補(bǔ)充或增殖。如蠑螈的前肢被切除后，再生包括以下的過程：傷口處細(xì)胞的粘著性減弱，通過變形運(yùn)動(dòng)移向傷口。形成單層細(xì)胞封閉傷口。這層細(xì)胞稱為頂帽（apical cap）或頂外胚層帽（apical ectodermal cap）。頂帽下方的細(xì)胞，如骨細(xì)胞，軟骨細(xì)胞，成纖維細(xì)胞，肌細(xì)胞，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞迅速去分化。形成胚芽。胚芽?jī)?nèi)部缺氧，PH下降，提高了溶酶體的活性，促進(jìn)受傷組織的清除。胚芽細(xì)胞加快分裂和生長(zhǎng)，最后細(xì)胞又開始分化構(gòu)成一個(gè)新的肢體。從蠑螈斷肢再生的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)臂神經(jīng)被完全切除時(shí)不再發(fā)生斷肢再生。這是因?yàn)樯窠?jīng)能產(chǎn)生再生促進(jìn)因子，其中有一種被鑒定為神經(jīng)膠質(zhì)生