细胞分化研究进展综述

摘要：多细胞有机体是由各种不同类型的细胞组成的，而这些细胞通常是一个受精卵细胞经增殖分裂和细胞分化衍生而来的后裔。细胞分化是多细胞生物发育的基础和核心。细胞分化的关键在于特异性蛋白质的合成，合成特异性蛋白质实质在于组织特异性基因在时间和空间上的差异性表达，而差异性表达的机制由于基因表达的组合调控。在个体正常发育过程中，通过有控制的细胞分裂而增加细胞数目，通过有序的细胞分化而增加细胞类型，进而由不同类型的细胞构成生物体的组织与器官，执行不同的功能，显然，细胞分化为生命向更高层次的发展与进化奠定了基础。细胞分化对于生物体的发展进化如此的重要，因此对它的研究发展也是如此的重要，国内外对细胞分化的研究进展也是极其迅速。 关键词：细胞分化、特点、影响因素、实例、研究进展、干细胞、干细胞学术会议

一、细胞分化的基本概念 细胞分化（cell differentiation）就是在个体发育中，由一种相同的细胞类型经过细胞分裂后逐渐在形态上、结构上和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程称为细胞分化。现代分子生物学的研究证明，细胞分化是由于细胞选择性的表达各自特有的专一性蛋白质，从而导致细胞在形态、结构和功能上的差异。比如说鸡的输卵管细胞合成卵清蛋白，成体红细胞合成β—珠蛋白，胰岛细胞合成胰岛素，这些细胞都是在个体发育中逐渐产生的，而且细胞分化是通过严格而精密调控的基因表达实现的。但是细胞分化并不是多细胞有机体所独有的特征，单细胞甚至原核生物也存在细胞分化的问题，比如枯草芽孢杆菌芽孢的形成，啤酒酵母单倍体包子的形成及萌芽形成的α和a两种交配型。虽然如此，但是与多细胞有机体细胞分化也有着不同之处，单细胞生物细胞分化多是为了适应不同的生活环境，然而多细胞有机体通过细胞分化构建执行不同功能的组织和器官，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。 二、细胞分化的特点 细胞分化是同一来源的细胞逐渐发生各自特有的形态结构、生理功能和生化特征的过程。其结果是在空间上细胞之间出现差异，在时间上同一细胞和它以前的状态有所不同。细胞分化是从化学分化到形态、功能分化的过程。从分子水平看，细胞分化意味着各种细胞内合成了不同的专一蛋白质（如水晶体细胞合成晶体蛋白，红细胞合成血红蛋白，肌细胞合成肌动蛋白和肌球蛋白等），而专一蛋白质的合成是通过细胞内一定基因在一定的时期的选择性表达实现的。 细胞分化可以概括为以下3个特征： ①持久性:细胞分化贯穿于生物体整个生命进程中,在胚胎时期达到最大程度。胚胎细胞在显示特有的形态结构、生理功能和生化特征之前，需要经历一个称作决定的阶段。在这一阶段中，细胞虽然还没有显示出特定的形态特征，但是内部已经发生了向这一方向分化的特定变化。细胞在整个生命进程中,在胚胎期分化达到最大限度。 ②稳定性和不可逆性:一般来说,分化了的细胞将一直保持分化后的状态,直到死亡。正常情况下，细胞分化是稳定、不可逆的。一旦细胞受到某种刺激发生变化，开始向某一方向分化后，即使引起变化的刺激不再存在，分化仍能进行，并可通过细胞分裂不断继续下去。 ③普遍性:生物界普遍存在,是生物个体发育的基础。 胚胎细胞在发生分化之前已确定向特定方向分化的变化过程称为细胞决定，而它的早晚，因动物及组织的不同而有差异，但一般情况下都是渐进的过程。例如，在两栖类，把神经胚早期的体节从正常部位移植到同一胚胎的腹部还可改变分化的方向，不形成肌肉而形成肾管及红细胞等。但是到神经胚晚期移植体节，就不能改变体节分化的方向。可见，这时期体节的分化已稳定地决定了。 三、细胞分化的影响因素 组织特异性基因的选择性表达主要是由调节蛋白所启动的，因此调节蛋白的合成是影响细胞分化主要的直接因素。一般来说这种影响主要受胞外信号系统的调控，而胞外信号及细胞微环境又是通过细胞的自身因素，如细胞位置、胞内信号转导调控网络等来起作用。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，除此之外，外部环境对某些物种细胞分化乃至个体发育也会产生很大的影响。综合起来说，影响细胞分化的因素主要包括以下几个方面： 1.胞外信号分子对细胞分化的影响 在研究早期胚胎发育过程中发现，一部分细胞会影响周围细胞使其向一定方向分化，这种作用称为近端组织的相互作用，它主要是通过细胞旁分泌产生的信号分子旁泌素（又称细胞生长分化因子）来实现的。另一种远距离细胞间相互作用对细胞分化的影响主要通过激素来调节的。 2.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。细胞记忆可以通过两种方式实现：正反馈途径和染色质结构变化的信息传到子细胞。 3.受精卵细胞质的不均一性 由于细胞有记忆能力，随着分化信息不断积累使之成为已“决定”的细胞，这种与细胞分化相关的信息在很多动物中可以上溯到受精卵，在很多物种中，卵裂后的细胞所携带的信息开始有所不同，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密更为复杂的指令，最终产生分化各异的细胞类型。 4.细胞间相互作用与位置效应 在胚胎学研究中，人们已经主要到细胞间的相互作用对细胞分化与器官构建的影响，并称这种作用为胚胎诱导。此外，细胞所处的位置不同对细胞分化的命运有明显影响，通过实验已经证明，改变细胞所处的位置可导致细胞分化方向的改变，这种现象称为位置效应。 5.环境对性别决定的影响 性别决定是细胞分化和生物个体发育研究领域的重要课题之一。实验证明，环境对性别作用的影响早已被人们发现和研究，其中典型的例子是许多爬行动物，如蜥蜴类的 A.agama和E.macularius，他们在较低温度环境下（24℃）全部发育为雌性，而温度提高（32℃）则全部发育为雄性。 6.染色质变化与基因重排 100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。此外，人们还发现了原生动物纤毛虫营养核中染色体DNA大量缺失的现象。 四、细胞分化实例 1.神经上皮细胞的分化

神经上皮细胞通过细胞分化从而产生不同类型的神经细胞 2.植物组织和动物细胞的分化

植物未分化间充质细胞通过细胞分化产生不同细胞类型 人体造血干细胞通过一系列细胞分化产生人体各种不同的细胞 五．细胞分化的研究进展 （一）细胞分化在细胞周期进程中的时相性研究 1.全反式维甲酸诱导HL-60细胞分化的细胞周期时相性 本实验中用全反式甲酸(ATRA)诱导HL-60细胞分化，研究此分化模型中细胞周期的变化以及细胞分化在细胞周期中的时相性规律。HL-60细胞经分化诱导剂ATRA(终浓度为1μmol/L)诱导不同时间点后，通过流式细胞仪检测细胞表面分化标志物CD11b的表达以及分选后共聚焦显微技术来证实细胞分化模型构建成功；用单参数流式细胞术检测细胞内DNA含量来分析分化细胞的细胞周期分布；创新应用CD11b/DNA双参数流式细胞数术同时检测分化细胞表面抗原CD11b的表达及分化细胞核DNA含量，观察分化细胞在细胞周期中的时相性表达。 结果：HL-60细胞经ATRA诱导后，细胞表面分化抗原CD11b表达明显升高，诱导72小时阳性率达到16.68％(对照组细胞阳性率为1.65％)，分选CD11b表达阳性的细胞用共聚焦显微镜观察，细胞核形态向成熟粒细胞变化。诱导后HL-60细胞阻滞于G0/G1期，且CD11b表达阳性细胞主要位于G0/G1期。实验表明ATRA能诱导HL-60细胞分化，分化细胞主位于细胞周期进程中的G0/G1期。 2.用阿非迪霉素诱导HL-60细胞来构建细胞分化模型，研究细胞细胞分化在细胞周期进程中的时相性表达。实验表明阿非迪霉素能诱导HL-60细胞分化，分化细胞主要位于细胞周期进程的S期。 3.六亚甲基二乙酰胺(HMBA)是一种能诱导急性髓系白血病细胞分化的极性化合物，在这部分研究中构建HMBA诱导HL-60细胞的分化模型来观察细胞周期分布的变化以及分化细胞在细胞周期中的时相性规律。实验表明HMBA能诱导HL-60细胞分化，分化细胞主要位于细胞周期进程中的G2/M期。 （二）细胞分化的分子机制及其医学方面的进展 以细胞分化调控的关键信号途径Notch为核心研究了免疫细胞和软骨细胞的分化，取得了以下成果 。 1.发现了Notch信号在淋巴细胞分化中的多重调控作用。在已建立Notch信号途径关键转录因子RBP-J条件型基因剔除小鼠的基础上，建立了Lck-Cre等组织特异性表达重组酶Cre的转基因小鼠。Lcx-Cr与RBP-jflox小鼠交配后，发现转基因可以引起RBP-J基因在T淋巴细胞的有效剔除。分析发现剔除RBP-J可以引起胸腺T细胞数目的明显减少，说明Notch/RBP-J信号途径在T淋巴细胞分化的早期阶段发挥重要作用。对外周边缘带B细胞和滤泡性B细胞的基因表达谱进行了基因芯片分析，鉴定出约大量差异表达基因，确认CD36是边缘带B细胞的新的细胞表面标志。 2.证实了软骨细胞分化调节基因MINT与CRYBP1之间的相互作用。首次发现MINT可以通过CRYBP1作用于II型胶原的增强子，并以HDAC依赖的方式抑制II型胶原的表达。 3.研究了Notch信号途径在体内的调控机制。在分子水平证实了KyoT2可以通过其LIM结构域与PCG蛋白RING1及HPC2相互作用。首次提出PcG蛋白可以通过与KyoT2相互作用抑制RBP-J下游基因的表达，并对RBP-J调控的基因进行表观遗传学调控。发现KyoT2可以与蛋白质SUMO化修饰E3连接酶PIAS1相互作用，并发现KyoT2可以被SUMO化修饰，证实KyoT2的SUMO化对其转录抑制作用十分重要。这些研究对Notch信号途径的体内功能及其作用机理具有重要作用。 （三）我国关于干细胞细胞分化研究的相关进展 干细胞一般而言是指那些同时具有自我更新和产生分化细胞能力的细胞。尤其在早期胚胎发生过程中，它们可以产生构成身体器官各种类型的组织，这种细胞就是胚胎干细胞，发育生物学家将它们称为“全能性细胞”。到了个体发育的一定阶段甚至成体，仍有一部分细胞负责组织的更新和修复，诸如血液、肠道粘膜上皮、皮肤表皮等。这些细胞便是一般所指的特定组织的干细胞，又称为多能性细胞。我国现已掌握了脐血干细胞分离、纯化、冷冻保存以及复苏的一整套技术，并开始在上海筹建我国第一个脐血库。在北京，北京医科大学人民医院细胞治疗中心也正在筹建全世界最大的异基因脐带血干细胞库。