细胞分化 Cell Differentiation 基因组保持全能性基础上的基因选择性表达 细胞分化潜能由全能到多能到单能的受限过程

内容 细胞分化现象 细胞分化的基本原理 干细胞 干细胞的特性 干细胞的分类 胚胎干细胞、精原干细胞、癌干细胞、成体干细胞 干细胞与医学

一、细胞分化现象 由单个受精卵产生的细胞，在形态结构、生化组成和功能等方面形成稳定差异的过程称为细胞分化(cell differentiation)。

细胞决定 在个体发育过程中，细胞在发生可识别的分化特征之前已确定了未来的发育命运只能向特定方向分化的状态称为细胞决定(cell determination)。

去分化 在一般情况下已经分化为某种特异的、稳定类型的细胞不可能逆转到未分化状态或者成为其他类型的分化细胞。 在某些条件下，分化了的细胞不能维持其分化状态，其基因活动模式也可发生可逆性的变化而重新回到未分化状态，这种变化过程称为去分化(dedifferentiation)。

转分化 在某些条件下，已经分化的细胞由一种分化状态转变到另外一种分化状态的过程，称为转分化(transdifferentiation) 。

细胞分化与细胞的分裂状态和速度相适应，细胞分化程度越高细胞分裂速度越慢。 许多调节细胞生长或死亡的细胞因子就是诱导细胞分化的外源信号。

二、细胞分化的基本原理 1.细胞分化潜能随个体发育进程逐渐受限 受精卵和8细胞期前期的细胞具有形成完整个体的能力，通常将这种细胞称为全能(干)细胞(totipotent cell)。

在三胚层形成之后由于细胞所处空间位置和微环境的差异，细胞的分化潜能受到限制，各胚层细胞只能向发育为本胚层组织和器官的方向分化，称为多能(干)细胞(pluripotent cell)。 经过器官发生各种组织细胞的命运最终确定只能形成一种细胞呈单能(unipotency)。

2.已经分化的细胞仍然据有全能性 动物体细胞克隆实验

Enuleate frog

Microinjection

Birth of Dolly １９９６年７月５日对罗斯林研究所伊恩·维尔穆特科学研究小组全体成员，是一个令人激动的日子；对全世界也是值得庆贺的一天。因为一只妊娠了１４８天，体重为６．６千克，编号为６ＬＬ３的小绵羊，来到这个世界，它是科学家们用克隆技术“复制”出来的。 １９９７年２月２７日，英国《自然》杂志全文刊登罗斯林研究所的实验结果。

Dolly,1 year old

Albert Einstein Adolf Hitler

Dolly and Polly

Dolly with Wilmut

Clone pig A

Clone Pig B

Clone Pig C

3.基因的差异表达是细胞分化的普遍规律 细胞分化的本质是基因表达的变化。 多细胞生物在个体发育过程中，其基因组DNA并不全部表达，而是按照一定的时空顺序，在不同细胞和同一细胞的不同发育阶段发生差异表达(differential expression)。

奢侈基因 luxury genes 不是维持细胞生存所必须，而是赋予分化细胞特定功能的基因，仅在特定类型细胞中表达。 管家基因 house keeping genes 维持细胞生存所必须，在几乎所有类型的细胞中均有表达的基因。

4.细胞分化的基因表达调控主要发生在转录水平 通用转录因子和组织特异转录因子 general transcription factor TAFII or TAF250

由转录因子介导的转录水平调控对细胞分化的作用最大。

三、干细胞 干细胞(stem cell)是指存在于个体发育过程中，具有长期(或无限)自我更新能力，并能分化产生某种(或多种)类型细胞的原始细胞，它们是维持个体生长发育、组织器官结构和功能的动态平衡及再生修复等生命现象的细胞学基础。

干细胞的有序分化是个体发育的基础 基因表达的时空性、细胞特异性 细胞生长、增殖和死亡的有有序性 干细胞维持组织器官结构和功能的动态平衡

Hematopoietic and stromal stem cell differentiation

(一)干细胞的特性 1.干细胞体积小、核质比大、细胞器不发达。 2.随组织类型的不同干细胞具有特定的生化特性。 3.干细胞增值速度缓慢 对外界信号做出反应 减少基因突变几率，发现和修复复制错误，使无法修复的细胞启动凋亡程序

4.干细胞增殖系统具有自稳定性 自稳定性是指干细胞可以在生物个体生命期间内自我更新(self-renewing)并维持其自身数目很定的特性。 区别肿瘤细胞的本质特征 5.多向分化能力是干细胞的本质特性 多向分化 转分化和去分化

(二)干细胞的分类 1.胚胎干细胞 2.成体干细胞 3.癌干细胞 癌干细胞概念的启示 癌干细胞可能是肿瘤治疗的理想靶点 癌干细胞可能是导致肿瘤耐药性的细胞

Figure 4 Two general models of heterogeneity in solid cancer cells Figure 4 Two general models of heterogeneity in solid cancer cells. a, Cancer cells of many different phenotypes have the potential to proliferate extensively, but any one cell would have a low probability of exhibiting this potential in an assay of clonogenicity or tumorigenicity. b, Most cancer cells have only limited proliferative potential, but a subset of cancer cells consistently proliferate extensively in clonogenic assays and can form new tumours on transplantation. The model shown in b predicts that a distinct subset of cells is enriched for the ability to form new tumours, whereas most cells are depleted of this ability. Existing therapeutic approaches have been based largely on the model shown in a, but the failure of these therapies to cure most solid cancers suggests that the model shown in b may be more accurate.

(三)干细胞与医学

Heart muscle repair with adult stem cells.

embryonic stem cells can be stimulated to differentiate

continued