第十一章 细胞分化 cell differentiation

第一节 概述 多细胞有机体由各种 不同类型的细胞组成， 所有这些细胞都来自 一个受精卵。 细胞分裂增加细胞的 数量； 细胞分化增加细胞的 种类。 哺乳动物卵细胞的受精过程

一个受精卵 （ 1 个细胞） 婴儿 （约 2  个细胞） 成年人 （  60  个细胞） 各种组织和器官 执行各种复杂生命活动 各种组织和器官 人的个体发育过程人的个体发育过程人的个体发育过程人的个体发育过程 衰老衰老 死亡死亡 41 次分裂

一、细胞分化的概念 细胞分化（ cell differentiation ） 在个体发育中，由一种相同的细胞类型 经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。 是基因在特定因素的作用下选择性转录 和表达的结果。 是多细胞生物发育的基础与核心

细胞分化 外胚层 神经管 表皮 腺 脑 脊髓 毛、齿 甲、爪 疏松结缔组织致密结缔组织 中胚层 软骨 骨 肌肉 形成血的组织 髓样组织 淋巴组织 泌尿生殖系统 内胚层 呼吸系统上皮 消化道上皮 胰 肝腺 甲状腺 甲状旁腺 外胚层 中胚层 内胚层

指标：形态结构、生物化学特性、生理 机能。 双凹圆盘状、无核 形态 红细胞 含有血红蛋白 生化 携带氧及二氧化碳 生理 识别细胞分化的指标

二、细胞分化的特点 普遍性 稳定性 时间性 空间性 可逆性（特定条件）

（一） 细胞分化的普遍性 细胞分化是一种普遍的生命现象，在整 个个体发育过程中均有发生。 胚胎期是细胞分化最重要的时期，且最 为频繁和迅速。 成体是各种组织中保留的干细胞，能够 不断产生新的分化细胞，以替代衰老死 亡的细胞。

（二）细胞分化的稳定性 是细胞分化最显著的特点，特别是 在高等生物中，细胞一旦分化成为 稳定类型的细胞后，就不能自发地 从分化状态逆转为原来的未分化状 态。 分化的稳定性是个体发育不可逆性 的基础。

神经细胞和骨骼肌细胞在机体的整 个生命过程中始终保持着稳定的分 化状态，不会逆转到未分化状态再 进行分裂。 离体培养的黑色素细胞在体外培养 30 多代后，仍保持稳定的合成黑色 素的能力等。

分化过程基本上是不可逆的，从而也导 致个体发育的不可逆性 受精 分化 发育 衰老 受精卵 胚胎 成体 死亡

（三）时间性和空间性 时间性： 在不同的发育阶段，一个细胞，可以有 不同的形状和功能，即时间上的分化。 空间性 细胞分化的位置和微环境的不同，产生 不同形态和机能的细胞。 单细胞 —— 时间上的分化 多细胞 —— 时间上和空间上的分化

（四）细胞分化的可逆性 传统观点认为，高等动物细胞分化 后，一般不再逆转到未分化的胚性 细胞 如肌肉细胞，不会逆转成原始的中 胚层细胞 神经细胞，不再逆转到外胚层细胞

在一定条件下，在具有增殖能力的组织 中，已经分化的细胞逆转回复到胚性状 态。这种现象称为去分化 （ dedifferentiation ）。

1958 年 Stewarod 证实了细胞分化可 逆性的存在。 Stewarod 实验过程 在培养液中使野生胡萝卜韧皮部的分化细胞去分化，而后重新分裂，进而再分化， 最后长成完整植株

低等动物断肢，再生（ regeneration ） 如两栖类，蝾螈 蝾螈断肢后，伤口处已分化的表皮、血管、肌 肉、神经等细胞能逆转成一种原始胚性细胞 — —— 去分化 胚性细胞重新分裂，形成胚芽，分化，再生 去分化的细胞，重新形成各种组织细胞，称再 分化（ redifferentiation ） 再生的过程，是一个去分化和再分化的过程

人皮肤基底细胞离体培养 如培养基中缺乏维生素 A ，基底细胞便 转变为角化细胞； 如培养基中富含维生素 A ，则基底细胞 分化为能分泌粘液的粘膜上皮细胞或具 有纤毛的上皮细胞。

（ 1 ）具有增殖能力的组织 （ 2 ）细胞核处的环境 （ 3 ）具有相应的遗传物质基础 分化的可逆性（特定条件）

三、细胞全能性 Cell totipotency 是指细胞在一定条件下所表现出分化为各种类型细胞 的潜能或重新发育成完整个体的能力。 1. 全能性细胞（ totipotent cell ） ： 具有这种能力的细胞，如 受精卵 卵裂早期或胚胎干细胞 植物细胞具有全能性，在适宜条件下可培育成 完整植株，已广泛应用

高度分化的植物细胞仍具有全能性 1958 年， 1970 年 Steward 等先后利用胡萝卜根的韧皮 部组织和悬浮培养的胡萝卜单个细胞培养出了完整的可 育植株。

Cell totipotency 2. 全能性细胞核（ totipotent nucleus ） —— 高等动物体细胞核在一定条件下， 可表现出全能性，称这种核为全能性 细胞核。 非洲爪蟾实验

全能型细胞核 高等动物 1997 年，英国 Roslin 研究所， Wilmut ， Nature ， Dolly （多莉）

成体中的细胞分化的两种方式 在成年机体生命活动期间，产生新的分 化细胞代替和补充衰老死亡的细胞的方 式有两种： a. 通过已存在的分化细胞的简单倍增形成 新的分化细胞 b. 通过干细胞（ stem cell ）产生新的分化 更替衰亡的分化细胞

四、干细胞 (stem cell) 干细胞是一类分化方向已决定了的未分 化细胞，具有无限分裂增殖能力。 凡是需要不断产生新的分化细胞以补充 衰亡细胞，而分化细胞本身又不能分裂 的细胞都需要有干细胞 如血细胞等

1 、干细胞的特点 （ 1 ）干细胞本身为非终末分化细胞。 （ 2 ）干细胞能无限分裂。 （ 3 ）干细胞分裂产生的子细胞只能在两 种途径中选则其一： 或保持亲代特征，仍作为干细胞。 或不可逆的向终末分化。

干细胞 终末分化细胞

2 、干细胞的分类 （ 1 ）单能干细胞（ unipotent ） —— 凡是只能够形成一种分化细胞类型的 干细胞 如 肌肉的卫星细胞 —— 骨骼肌的来源； 表皮的基底细胞 —— 角化表皮细胞的来源； 精原细胞 —— 精子的来源； 嗅上皮基底细胞 —— 嗅神经细胞的来源等。

角蛋白 角质化细胞 颗粒细胞 棘细胞 基底细胞 基膜 真皮 外界 迁移细胞 干细胞 分裂中的 干细胞 核解体 表皮层 哺乳动物皮肤剖面图（示干细胞） (b) 哺乳动物表皮增殖单位 迁移细胞 分裂中的干细胞 (a) 皮肤剖面

（ 2 ）多能干细胞（ pluripotent ） —— 能产生两种以上不同类型的分化细胞 的干细胞 如造血干细胞 多能造血干细胞增殖、分化为各系的定向 干细胞，定向干细胞再分化产生分化细 胞。

造血干细胞（多向性） 原红细胞（定向性） 网织红细胞 红细胞 粒系巨噬定向干细胞 原单核细胞 单核细胞 巨核细胞 血小板 淋巴母细胞 淋巴细胞 （ >6 型） 原粒细胞 （中性、嗜碱、嗜酸性） 造血干细胞分化示意图 原巨核细胞（定向性） 巨噬细胞

定向干细胞 —— 多能干细胞 —— 单能干细胞 定向干细胞已经有所分化失去了多向性 分化的能力，只能向一系列或相关两系 列（如粒细胞和巨噬细胞系列）分化； 它也不同于单能干细胞，其增殖能力已 不是无限的，不能反复自我繁殖，一般 只能增殖数次，其数量的平衡依赖于多 能干细胞的增殖来补充。

第二节 细胞分化与基因表达 一、与细胞分化有关的基因 分子杂交实验表明，在细胞的全套基因组中， 只有少数基因（ 5 － 10 ％）表达 基因组中表达的基因又分两类： （ 1 ）一类是维持细胞基本生命活动所必须 的，称管家基因（ house keeping gene ） 如编码核糖体蛋白基因、线粒体蛋白基因、以及 tRNA 、 rRNA 基因等。 这些基因在各类细胞中都可以表达。

（ 2 ）另一类是指导合成组织特异性蛋白的 基因，对分化有重要影响，称奢侈基因 （ luxury gene ） 如卵清蛋白基因、上皮细胞的角质蛋白基 因和胰岛素基因等。 这些基因只有在特定的分化细胞中表达。

二、细胞分化的基因表达特点 早期认为细胞分化是由于基因的丢失 如肝细胞的分化，是细胞仅仅保留了肝 细胞相关的基因，而其它基因丢失。 50 年代后，证实基因并不丢失，从受精 卵发育到个体， 41 次有丝分裂，所有子 细胞的 DNA 含量恒定。

基因虽没有丢失，还是同一套，但 并不是所有的基因都表达 在不同的细胞，或同一细胞的不同 生长、发育时期，只有一部分基因 表达（开放），另一部分基因不表 达（关闭）

分化过程中，之所以能相继出现新的细 胞类型，就是由于特定基因（奢侈基因） 相继活化的结果 这种现象，称基因顺序表达（ sequential expression ）或差次表达（ differential expression ）

三、细胞分化基因表达的调控 基因表达是受一系列精密、复杂而严格 的调节控制 发生在多个层次和水平上 : （ 1 ） DNA 水平 （ 2 ）转录水平（重要） （ 3 ）翻译水平

VkVk JkJk CkCk 胚胎 DNA L1L1 V8 V8 L2L2 V2 V2 L3 L3 V3V3 J1J1 J2J2 J3J3 J4J4 J5J5 Ck 重排 浆细胞 DNA L2L2 V2 V2 J4J4 J5J5 Ck RNA 剪接 浆细胞 mRNA L2L2 V2 V2 J4J4 J5J5 Ck mRNA L2L2 V2 V2 CkJ4J4 转录 人类基因 DNA 的重排、转录和翻译 L: 引导肽基因片段 Vk: k 轻链 V 基因片段 J: 连接基因片段 Ck: k 轻链 C 基因片段 （一） DNA 水平上的调控 染色体上 DNA 顺序的重排，是改变基因组中有关基因顺序结构的基因调控方式。

（二）转录水平上的调节 在胚胎发育和分化过程中相继出现各种 不同的细胞类型是由于有关的奢侈基因 按一定的顺序相继活化的结果，这种现 象称基因的差次表达。

人体发育期间血红蛋白的组成 发育阶段血红蛋白肽链组成 胚胎期 HbGower1 HbGower2 Hb Portland 胎儿期 HbF HbA 新生儿和成人 HbA HbA2 HbF ζ2ε2ζ2ε2 α2ε2α2ε2 ζ2γ2ζ2γ2 α2γ2α2γ2 α2β2α2β2 α2β2α2β2 α2δ2α2δ2 α2γ2α2γ2

        妊娠周数出生周数 在胚胎发育和分化过程中相继出现各种不同的 细胞类型是由于有关的奢侈基因按一定的顺序相 继活化的结果，这种现象称基因的差次表达 （ differential gene express ）。

+ 胸腺非组蛋白 染色质重组实验 从兔胸腺、骨髓 染色质中分离出 以上实验表明，特异的非组蛋白参与调节细胞中 的转录过程。 转录出胸腺 RNA 不能转录 RNA 然后进行重组 骨髓 DNA 胸腺 DNA + 组蛋白 1 胸腺 DNA 、组蛋白、非组蛋白 骨髓 DNA 、组蛋白、非组蛋白 2 骨髓 DNA 胸腺 DNA + 组蛋白 3 + 骨髓非组蛋白 转录出骨髓 RNA 骨髓 DNA 胸腺 DNA + 组蛋白

（三）翻译水平的调控 —— 是指基因转录的 mRNA 有选择地翻译 成蛋白质。 在不同细胞中有不同的 mRNA 得到翻译， 结果不同的细胞有不同的蛋白质和不同 的分化。