第一节 细胞分化
一、细胞分化的基本概念
(一)细胞分化是基因选择性表达的结果
在早期发育研究中，人们推测细胞分化是由于细胞在发育过程中遗传物质的选择性丢失所致。现代分子生物学的证据表明，绝大多数的细胞分化不是因为遗传物质的丢失，而是由于细胞选择性地表达组织特异性基因，从而导致细胞形态、结构与功能的差异。如鸡的输卵管细胞合成卵清蛋白，成红细胞合成β-珠蛋白，胰岛β细胞合成胰岛素，这些细胞都是在个体发育中逐渐产生的。分别用上述3种蛋白质的基因作探针，对3种细胞中提取的总DNA进行 Southern杂交实验，结果显示，上述3种细胞的基因组DNA中都含有卵清蛋白基因、β-珠蛋白基因和胰岛素基因(表14-2)；然而用同样的3种探针，对上述3种细胞中提取的总RNA进行Northern杂交实验，结果表明，卵清蛋白mRNA仅在输卵管细胞中表达，成红细胞中仅表达β-珠蛋白mRNA，胰岛β细胞中仅表达胰岛素mRNA。
这一经典的实验表明，不同类型的细胞各自表达一套特异的基因，其产物不仅决定细胞的形态结构，而且执行特定的生理功能。随着生物信息学技术的发展，人们认识到细胞分化过程伴随着细胞特异性的转录因子调控网络的形成，从而决定了细胞的命运和功能。目前人们可用RNA测序( RNA Sequence， RNA-Seq)等技术检测特定类型细胞中的基因表达谱，包括所表达的几乎所有种类的mRNA及其丰度，用质谱技术等分析蛋白质表达谱，从而为深入了解细胞分化的机制提供了重要的研究途径。
(二)管家基因与组织特异性基因
细胞分化是通过严格而精准地调控基因表达实现的。分化细胞基因组所表达的基因大致可分为两种基本类型：一类是管家基因( house- keeping gene)，另一类称为组织特异性基因( tissue- specific gene)。管家基因是指几乎所有细胞中均表达的一类基因，其产物是维持细胞基本生命活动所必需的，如糖酵解酶系基因等。组只特异性基因是指不同类型细胞中特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特定的功能，如卵清蛋白基因、胰岛素基因等。
与细胞分化相关的基因在时间与空间上的差异表达，不仅涉及基因转录水平和转录后加工水平上的调控，而且涉及染色体和DNA水平(如DNA与组蛋白的修饰)以及蛋白质翻译和翻译后加工与修饰等复杂而严格的调控过程。
早期实验结果提示，在哺乳动物基因组中，多数基因为管家基因。然而，随着高通量测序技术的发展以及检测细胞类型的增多，人们发现真正意义上的管家基因可能仅占基因总数很少一部分(有人估计不超过3%)。
管家基因编码的产物多为细胞基础代谢活动所需的酶类、核糖体蛋白、膜转运蛋白，以及细胞周期调控的主要蛋白质等细胞生命活动必需的蛋白质。与之相比较，组织特异性基因占基因总数的绝大多数，它们调控并参与了细胞分化和组织与器官的构建。
(三)组合调控引发组织特异性基因的表达
人体有200多种不同类型(有的学者认为有500种以上)的细胞。如果毎种类型的细胞分化都需要一种调控蛋白的话，那么需要200种以上的调控蛋白。然而，实际上细胞分化是有限的少量调控蛋白启动了为数众多的特异细胞类型基因表达的过程。其机制就是组合调控
( combinational control)的方式，即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同参与完成的。这样，如果调控蛋白的数目是n，则其调控的组合在理论上可以启动分化的细胞类型为2。这样，3种调控蛋白(调控蛋白1、2、3)可以调控产生8种不同类型的细胞(图14-1)。
在启动细胞分化的各类调控蛋白中，往往存在两种起决定作用的调控蛋白，编码这种蛋白的基因称为主导基因( master gene)。有时，仅单一主导基因的表达就有可能启动整个细胞的分化过程。例如，MyoD是种在成肌细胞分化为骨骼肌细胞过程中的关键性调控蛋白。如果将其转入体外培养的成纤维细胞中进行过表达，将使来自皮肤结缔组织的成纤维细胞表现出骨骼肌细胞的特征，例如合成大量的肌动蛋白和肌球蛋白，在质膜上产生对神经信号敏感的受体蛋白和离子通道蛋白，并融合成肌细胞样的多核细胞等。
借助于组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与其他调控蛋白形成适当的组合，不仅可以将一种类型的细胞转化成另一种类型的细胞，而且遵循类似的机制，甚至可以诱发整个器官的形成，这一点已在研究果蝇、小鼠和人类的眼睛发育中得到证实。例如在眼的发育中，有一种关键性调控蛋白称Ey(果蝇)或Pax6(脊椎动物)，如果在发育的早期，把果蝇E基因转入到将发育成腿的幼虫细胞中表达，结果诱导产生构成眼的不同类型细胞的有序三维组合，最终在腿的中部形成眼。
显然Ey蛋白除了能启动细胞某些特异基因的表达、诱导某种类型细胞分化外，其启动的某些基因本身可能又调控另一些基因，它们进一步启动其他特异基因表达，形成由多种不同类型细胞组成的有序三维群体，即组织器官的形成。
通过少数关键性调节蛋白对其他调节蛋白的级联启动，是一种生命体内高效而经济的细胞分化调控机制。
正是通过这一机制的高效运行，复杂有机体不同组织的细胞逐渐获得了最终形态及功能。
(四)单细胞有机体的细胞分化
细胞分化并非多细胞有机体独有的特征，单细胞生物甚至原核生物也存在细胞分化，如原核生物枯草杆菌芽孢的形成，鱼腥藻(一种蓝藻)形成正常增殖的营养体细胞和起固氮作用的异形胞(见图1-6)等。
真核生物芽殖酵母有3种不同类型的细胞：二倍体细胞(aa)和由单倍体孢子萌发形成的a和a两种交配型。目前人们对上述细胞分化的机制已经有较深入的了解，这也为多细胞有机体细胞分化的研究提供了有意义的资料。黏菌(如盘形网柱黏菌 Dictyostelium
discoideum)的营养体直径约1mm，是研究低等生物体细胞分化的一种很好的材料。在孢子形成过程中，由单细胞变形体形成多细胞的蛞蝓形假原质团
( pseudoplasmodium)，并进一步分化成为菌柄和孢子囊(图14-2)。在每一个过程中，均涉及一系列特异基因的表达。然而单细胞生物与多细胞有机体细胞分化的不同之处是：前者多为直接应对外界环境的改变，而后者则通过遗传程序控制的细胞分化构建执行不同功能的组织与器官，从而间接地适应环境的改变。因此，多细胞有机体在其分化程序与调节机制方面显得更为复杂。
(五)细胞谱系
细胞谱系( cell lineage)是指受精卵从第一次卵裂时起，到分化为各组织和器官的终末细胞时为止的发育
史；因其母代细胞和子代细胞之间世代相承的关系类似于人类族谱，故又被称为“细胞世系”。许多生物的卵裂过程按照严格的图式进行，且各类细胞产生的时间、顺序、位置和类型，在发育的早期就已确定。
细胞谱系的研究对于了解各类细胞和器官发育机制、比较不同种类生物早期发育之间的演化关系以及分离并获取具有生理功能的各种细胞等都有重要价值。人们通常利用细胞谱系示踪( cell lineage tracing)技术来标记细胞并追踪观察其所有后代的增殖、分化以及迁移等活动，进而获得细胞分化和发育的相关知识。最早的示踪技术源于20世纪初，E.G. Conklin等人利用海鞘早期卵裂球本身着色差异的特性，对卵裂球的分裂过程进行了连续观察；此后，人们尝试通过物理方式将各种染料注入细胞内，以此对其进行标记和追踪。由于染料标记不够准确，且随细胞分裂染料逐渐稀释并最终消失，因而不是一种理想的细胞示踪技术。
近年来基因编辑技术的快速发展，实现了对细胞精准和永久性的标记。例如，通过基因打靶将噬菌体P1的 Cre/Loxp重组酶系统整合到待标记的细胞基因组中，对标记细胞进行示踪。由于发育过程中表达Cre的细胞及其子代细胞将被永久标记，细胞谱系得以准确地绘制和硏究。近年来，更高效的 CRISPR/Cas9基因编辑技术又为细胞谱系示踪增添了新的活力。目前，细胞示踪技术与影像学技术相结合，可以对活体细胞进行示踪。细胞谱系示踪技术的发展正迅速改变和加深人们对于细胞分化和发育的认知，也将极大促进生物医学的发展。
(六)转分化与再生
种类型的分化细胞转变成另一种类型的分化细胞的现象称转分化( transdifferentiation)，如水母横纹肌细胞经转分化可形成神经细胞、平滑肌细胞和上皮细胞，甚至可形成刺细胞。
转分化往往经历去分化和再分化的过程。去分化( dedifferentiation)又称脱分化，是指分化细胞失去其特有的结构与功能变成具有未分化细胞特征的过程。高等动物的克隆也涉及细胞去分化的过程，但已分化细胞的细胞核需要在卵细胞质中才能完成其去分化的程序。这过程又称为重编程( reprogramming)，其中涉及DNA与组蛋白修饰的改变。但最新研究证明，如果在一种类型的细胞中表达另一种类型细胞的关键转录因子的调控蛋白，能够激活另一种类型细胞的基因调控网络，从而使得细胞命运和功能发生转变；例如通过导入基因或通过化学小分子直接激活关键转录因子的方法，人皮肤成纤维细胞能够成功转分化为神经、肝、心肌等多种类型的细胞。
大部分已分化的植物细胞都具有经去分化和再分化形成完整植株的潜能。植物细胞的这种特点，可能主要有两个原因：一是植物是以细胞为生命单位的光合自养方式获得能量，细胞之间不需要如动物那么复杂的分化与分工；二是植物适应光合自养获能方式的固着生长使得植物无法逃离环境的胁迫与机械损伤，维持高效的去分化与再分化能力，有助于植物体在受到伤害后，增加存活的机会。植物细胞相对易于去分化和再分化的特点，可能是演化过程中，光合自养及其派生出来的固着生长这两个选择压下的选择结果。
生物界普遍存在再生现象( regeneration)。广义的再生可包括细胞水平、组织与器官水平及个体水平的再生。但一般再生是指生物体缺失部分后重建的过程，如幼体蟾蜍附肢切除后，伤口处部分细胞凋亡，多数细胞(包括皮肤、肌肉、软骨和其他结缔组织的细胞)经去分化形成间充质或成纤维细胞样的细胞团—再生芽基( regeneration blastema)。芽基细胞再分化形成以有序方式排列的从肱骨直至指骨的完整附肢另一典型的例子是晶状体的再生。若将发育中的蝾螈晶状体摘除，其背面的虹膜上含黑色素的平滑肌细胞就会去分化，失去黑色素和肌纤维，然后再转变成为产生晶状体蛋白的晶状体细胞。
不同的有机体，其再生能力有明显的差异。一般来说，植物比动物再生能力强，低等动物比高等动物再生能力强。从只有二胚层的腔肠动物水螅中部，切下仅占体长5%的部分，便可长成完整的水螅；具有三胚层的扁形动物涡虫同样具有极强的再生能力，目前已成为研究机体再生与干细胞的增殖和分化的一种模式生物。而两栖类却只能再生形成附肢，人和其他高等动物通常只具有组织水平的再生能力。再生能力常常随个体年龄增大而下降。再生现象从另一个侧面反映了细胞命运的可塑性。
二、影响细胞分化的因素
基因的选择性表达主要是由调节转录因子蛋白所启动。转录因子蛋白的组合是影响细胞分化的主要的直接因素。一般来说，这种影响主要是胞外信号及细胞微环境，同细胞内的信号转导调控网络相互作用，转录因子蛋白的表达受细胞内外信号的精确调控。而胞外信号
及细胞微环境又是通过细胞的信号转导调控网络来起作用。在很多物种中影响细胞分化的胞内因素可以追溯到单细胞受精卵中细胞质的作用。此外，外部的环境对某些物种的细胞分化，乃至个体发育也会产生很大的影响。
(一)受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响
在卵母细胞的细胞质中除了储存有营养物质和各种蛋白质外，还含有多种mRNA。如在果蝇的受精卵中含
有许多由母体提供的mRNA和蛋白质，这些都是母体基因产物。母体基因产物在受精卵中的分布具有明显的区域性，受精后，区域性分布的母体基因产物通过级联反应，激活或抑制合子相应的基因表达，进一步造成裂隙基因( gap gene)、成对规则基因( pair-rule gene)和体节极性基因( segment polarity gene)等合子基因表达的区域化，从而决定了果蝇胚胎的前后轴、背腹轴和体节的形成。因此，果蝇胚胎的发育命运，早在卵子成熟时就决定了。受精后，胚胎就按照既定的途径完成发育过程(图14-3)。在很多物种中，决定细胞向某一方向分化的初始信息储存于卵细胞中，卵裂后的细胞所携带的信息已开始有所不同，这种区别又通过信号分子影响其他细胞产生级联效应。这样，最初储存的信息不断被修饰并逐渐形成更为精细、更为复杂的指令，最终产生分化各异的细胞类型。
(二)信号分子及细胞的位置信息决定细胞分化的命运
多细胞个体在发育过程中，某个细胞在某一时刻是否分化及其分化的方向是由内因和外因共同决定的。内因是指细胞本身的状态，特别是基因组的整体表达情况(如特异受体蛋白的表达)，以及该细胞所经历的发育过程或所处的发育阶段。细胞的状态可以通过转录组、蛋白质组、代谢组、甲基化组学等进行分析。细胞分化的外因则是指该细胞所处的周边环境，包括与之相邻的细胞，所接收到的信号分子、激素等。
人们很早就注意到，在胚胎发育过程中，一部分细胞会影响周围的细胞，使其向一定的方向分化，这种作用称为近端组织相互作用( proximate tissue interaction)，也称近端诱导或胚胎诱导( embryonic induction)。其中一个典型的例证就是在眼原基中发生的逐级诱导过程正常情况下，早期的视泡诱导与之接触的外胚层上皮细胞发育成晶状体，随后，在视泡和晶状体的共同诱导下，外侧的表皮细胞形成角膜。如果把早期的视泡移植在头部的其他部位，则可诱导与之接触的外胚层异位发育成晶状体。近端组织相互作用主要是通过信号细胞分泌产生的信号分子改变周围细胞(靶细胞)的分化方向来实现的。
信号分子是由信号细胞直接合成并分泌到胞外，依靠扩散作用围绕信号细胞形成浓度梯度，因此主要作用于邻近的细胞。在第九章我们已经讨论过多种信号分子及其受体家族的属性，其中也提到了TGFβ、Wnt、Hedgehog(hh)等信号分子及信号通路在细胞分化和个体发育中的作用。然而，细胞能够接收到哪些类型的信号分子、信号强度或持续的时间，则取决于细胞在胚胎或成体中所处的空间位置(也称位置信息)。
根据信号细胞和靶细胞的距离，或信号分子的作用范围，通常人为地将之分为短程和长程的诱导作用。一般相距5-10个细胞以内，称为短程诱导作用，超过这个距离，则称为长程诱导作用。上皮生长因子(EGF)和成纤维细胞生长因子(FGF)等家族成员属于前者TGFβ和Wnt等家族成员通常属于后者。有些信号分子兼有短程和长程诱导作用，例如， Hedgehog通常被认为是短程信号分子，然而在某些情况下却起着长程信号分子的作用。如在脊椎动物神经管的发育中，在由脊索细胞分泌的Shh( Sonic Hedgehog)信号蛋白的作用下，靠近脊索的细胞分化成底板( (floor plate)，而远离脊索的细胞分化成运动神经元。如果将另一个脊索植入鸡胚中线一侧，则会以同样的方式诱导底板和运动神经元的发生。如果Shh基因发生突变，则会导致中枢神经系统发育异常，甚至可出现面部仅有一个眼睛和一个鼻孔的胎。Shh蛋白还可以调节肢体的发育。肢体的长度形态和内部结构，均取决于Shh蛋白的浓度或某些由它调控的其他信号分子的浓度。
有些信号细胞还可以产生非分泌型的膜蛋白配体它们通常仅作用于相邻的细胞，因此称为极短程诱导作用。如膜蛋白DSL作为 Notch信号通路的配体，仅作用于相邻的靶细胞的膜受体 Notch(详见第十一章第三节)。
当然，长程和短程的诱导作用只是相对而言，信号分子的扩散程度也是一个受控的过程，细胞的应答并最终决定其分化方向，更是多种信息整合的复杂而精准的调控的结果(详见第十一章第四节)。
激素对细胞分化的调节总体属于一种远程作用，它一般由内分泌细胞分泌，然后借助于血液循环抵达靶细胞。细胞对激素的反应完全取决于其所表达的受体及其他内在因素，而与其在个体中的位置无直接关系。如无尾两栖类的蝌蚪在变态过程中，尾部的退化及前后肢的形成是由甲状腺分泌的甲状腺素和三碘甲状腺原氨酸的分泌增加所致。昆虫的变态过程则主要是由蜕皮素和保幼素共同调控的。在很多情况下，激素的远程调控常常与近端诱导的信号分子协同作用，完成细胞分化。如哺乳动物乳腺的发育受控于激素的远程调控，然而乳腺的导管和腺泡的发育、泌乳细胞的分化，则通过组织间的近端诱导作用得以完成。
近年来，对胚胎干细胞(包括人胚胎干细胞在内)的细胞定向分化的研究显示，细胞分化与三个胚层发生这一复杂的过程，不仅依赖于各种信号分子的组合和浓度，而且也与细胞相互间的位置密切相关(图14-4)。人们越来越关注细胞所处的位置即细胞的微环境对细胞状态的维持以及分化的命运所起到的关键作用。
三)细胞记忆与决定
信号分子的有效作用时间是短暂的，然而细胞可以将这种短暂的作用储存起来并形成长时间的记忆，逐渐向特定方向分化。果蝇幼虫的成虫盘( imaginal disc)是一些未分化的细胞群，在幼虫变态过程中，不同的成虫盘发育为成虫不同的器官，如腿、翅和触角等。人们曾把果蝇幼虫的成虫盘细胞植入成虫体内，连续移植9年，细胞增殖多达1800代，然后将这种成虫盘细胞再移植回幼虫体内，依然发育成为相应的器官
早期的研究提出“决定早于分化”这一概念，所谓决定( determination)是指一个细胞接受了某种指令，在发育中这一细胞及其子代细胞将区别于其他细胞而分化成某种特定的细胞类型，或者说在形态、结构与功能等分化特征尚未显现之前就已确定了细胞的分化命运。
细胞的决定与细胞的记忆有关，而细胞记忆可能通过两种方式实现：一是正反馈途径( positive feedbackloop)，即细胞接受信号刺激后，激活转录调节因子该因子不仅诱导自身基因的表达，还诱导其他组织特异性基因的表达；二是染色体结构变化(DNA与蛋白质相互作用及其修饰)的信息传到子代细胞，如两条X染色体中，其中一条始终保持凝集失活状态并可在细胞世代间稳定遗传一样。上述细胞记忆的机制也可以用来解释某些能够继续增殖的终末分化细胞，如平滑肌细胞和肝细胞分裂后只能产生与亲代相同的细胞类型。近年来表观遗传学的研究结果，表明了染色质构象的改变及DNA与组蛋白的化学修饰在基因表达中的重要作用，显然，这与细胞的记忆与决定有密切的关系。
四)染色质变化与基因重排对细胞分化的影响
百多年前人们就发现马蛔虫在卵裂过程中，染色体出现消减现象，追踪至32个细胞的分裂球阶段，发现除一个细胞(将分化成生殖细胞)保留正常的染色体外，其余将分化成体细胞的细胞中，全部出现了染色体丢失。显然这是细胞分化的一个特例，但在当时成为种质学说的重要依据。
原生动物纤毛虫的营养核中，染色体DNA也存在大量缺失的现象。纤毛虫类(如草履虫、四膜虫)的细胞内存在两个细胞核，小核称为生殖核，包含完整的二倍体基因组，但基因基本不表达；大核称为营养核，丢失10%~90%的DNA，剩余的DNA经重排与扩增后形成多倍体，其基因活跃地转录并决定其一切表型特征。大核是在有性生殖过程中，由小核发育而来，细胞虽未分化但细胞核“分化”成两种不同的类型。
基因重排( gene rearrangement)是细胞分化的另一种特殊方式。抗体是由浆细胞分泌的，而浆细胞是由B淋巴细胞分化而来。在这一过程中，B淋巴细胞中的DNA经过断裂丢失与重排的复杂变化从而利用有限的免疫球蛋白基因，在理论上可表达出数百亿种抗体。T淋巴细胞在分化过程中也存在类似的基因重排现象。
从单细胞的受精卵到多细胞的成体，实际上是一个受到精密调控的细胞分裂、迁移和分化、凋亡的过程，而细胞分化是整个发育的基础与核心(详见知识窗14-1)。细胞分化的奥妙不仅在于其过程与结果的复杂性，而且还在于分化的细胞在组织和机体构建中难以置信的经济性。如同仅88个键的钢琴能够演奏出无限多美妙的乐曲，生命体凭借相对有限的基因通过组合调控，形成各种形态功能迥异的细胞，精确地构建成各类组织、器官以及多姿多彩的生命体。
