第十二章 细胞分化

这像一颗巨型炸弹，在世界各地掀起科技发 展与伦理底线碰撞的轩然大波。人们感到恐慌， 古希腊传说里狮头、羊身、蛇尾杂交的野兽(客迈 拉，chimera)，真要变为现实吗？此举真会颠覆 人与动物之间的界限吗？
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异种混合胚胎的实验有三个等级：



第一种是将某种动物的精子与另一种动物的 卵子结合为受精卵，这类研究在伦理上是最不允 许的，而且存在多种技术障碍。 第二种叫“嵌合体”，就是将一种动物的胚 胎干细胞注入另一种正在发育的动物胚胎中，令 其发育为两种动物细胞混杂的胚胎，其最终目的 是为人体器官修复提供备件，英国方面还没有给 这类实验“开绿灯”。 第三种是运用体细胞核转移技术，将一种动 物的细胞核注入去核的牛或兔、羊的卵母细胞， 以培养极早期胚胎(囊胚)，并从中提取胚胎干细 胞。（是这次批准的实验类型）
胞的生长和分化进行调节。因此细胞分化的实
质是基因的差别表达或顺序表达，即特定的基
因在特定的时间内在特定的组织中表达的结果。
在细胞内与分化有关的基因按其功能分为两
类：
一类是管家基因（house keeping gene ），
是维持细胞基本活动所必需的基因，但对细胞分

细胞决定与分化的关系：在胚胎细胞分化上，决
定先于分化，而分化则是决定稳定发展的结果；
决定是细胞预先做出了发育的选择，而分化是细
胞在形态、结构、功能方面的稳定差异。
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胚胎移植实验
原肠胚早期
原肠胚晚期
正常命运
未决定
已决定
细胞的分化方向由细胞决定所选择 胚胎移植实验：如果将两栖类胚胎原肠胚早期预定发育 为表皮的细胞移植到另一个胚胎预定发育为脑组织的区域， 供体胚胎细胞在受体胚胎中将发育为脑组织，而在原肠胚晚 期阶段移植时仍将发育为表皮。表明在两栖类早期原肠胚和 晚期原肠胚之间的某个时期便开始了细胞决定，一旦决定之 后，即使外界因素不复存在，细胞仍然按照已经决定的命运 进行分化。
形体迁移，聚合成一个能
运动的，由数百万细胞组 成的幼虫，然后再分化成
由头和柄组成的子实体，
子实体分化产生大量的孢 子，孢子分散到含有营养 的环境中又可产生新一代 阿米巴样变形体
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多细胞生物的细胞分化：
多细胞生物的个体发育过程： 一般包括胚胎发育和胚后发育两个阶段，前 者包括卵裂、囊胚、原肠胚、神经胚以及器官发 生等阶段。
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世界第一只人兽混种羊
美国内华达大学的伊斯梅尔教授
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4、分化细胞的同源性：
分化细胞来自共同的母细胞——受精卵，
而后形成各层次的干细胞。这一点同细胞分裂
相似，但细胞分化形成的子细胞在形态、结构 上发生差异，这是由于基因的选择性表达造成 细胞的分化。
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5、时间和空间上的分化
一个细胞在不同的发育的阶段中可以有不同
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2001年，中山大学医学院陈系古教授等将人 类皮肤细胞核移植到家兔卵母细胞中，经过2000 多次实验，成功克隆出100多个人类胚胎，其中部 分发育到“桑葚胚”阶段。
陈系古教授认为，这一成果的意义在于绕过 精卵结合的生命初始阶段，用一块皮肤克隆出人 的胚胎，避开了“用有生命的受精卵进行研究等 于扼杀生命”的争议。然而，研究引起的争议之 大难以想象，相关研究很快被有关部门叫停。

单细胞生物的细胞分化：细胞分化在同一细胞
表现出时间上的分化，如噬菌体的溶菌型和溶
原型，原核生物和原生生物的细胞多型性等。
出现不同类型的细胞，有的是发育的需要，
有的则是生存条件所决定。黏菌
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在正常营养条件下，这种
生物以单细胞阿米巴变形 体的形式生存；在缺乏营 养时阿米巴变形体向周围 环境中释放cAMP ， cAMP 起到化学吸引剂的 作用，引起许多阿米巴变
②它虽然有增殖和分化的能力，但它的分化方 向已基本确定，只能分化为其相应组织的细胞。将 这类干细胞称为单能干细胞。 成体组织干细胞有些可分化为几种类型的细胞， 这部分细胞称为多能干细胞，例如，骨髓造血干细 胞可分化为红细胞、粒细胞、巨噬细胞、淋巴细胞 和血小板等。
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成体组织中，干细胞极少，绝大部分是已分
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可以认为，卵细胞的极性与细胞的不对称 分裂、细胞间的相互作用构成了细胞决定信号
，这些信号左右了细胞中某些基因的永久性关
闭和某些基因的开放。
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二、细胞分化的概念

细胞分化(cell differentiation)是指在个体发育过
程中细胞之间产生形态结构、生理功能和生物化
学特性稳定差异的过程。

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细胞的分化去向源于细胞决定，是什么因素
决定了胚胎细胞的分化方向?迄今尚不清楚。
在细胞决定中起重要作用的两种因素：一是 卵细胞的极性与早期胚胎细胞的不对称分裂；一 是发育早期胚胎细胞的位置及胚胎细胞间的相互 作用。
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细胞的不对称分裂是指存在于核酸蛋白颗粒 (RNP)中的转录因子mRNA在细胞质中的分布是不 均等的，当细胞分裂时，这些决定因素（mRNA) 被不均匀地分配到两个子细胞中，结果造成两个 子细胞命运的差异。 细胞在胚胎中的位置及细胞间的相互作用说 明，一种细胞命运的决定可以受到其所处位置和 相邻细胞的影响，例如囊胚中的内细胞团可以分 化为胚体，而在外表面的滋养层则只能分化为胎 膜成分。
细胞分化的明显改变开始于原肠胚形成之后。
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表皮、神经组织 肺、肝、胰、消化道 上皮及其附属器官 真皮、骨骼、肌肉、心脏、 血管和血细胞、结缔组织
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脊椎动物细胞分化示意图
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第二节 细胞分化的潜能
全能性的细胞 胚胎细胞的分化潜能
体细胞的分化潜能
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一、全能细胞
细胞在一定条件下仍具有分化发育成为完整有 机体的潜能或特性，称为细胞全能性（totipotent）。 这种细胞称全能细胞（totipotent cell）。 全能细胞应该具有完整的基因组，可以表达
基因库中任何基因，分化形成该个体任何种类细
胞。包括：受精卵和早期胚胎细胞（哺乳动物和 人类的8细胞期以前的卵裂球）。
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二、胚胎细胞的分化潜能
在机体的整个生命过程中都有细胞分化
活动现象，而在胚胎期细胞分化活动最典型。
多细胞生物体来源于一个受精卵，经过卵裂
到8个细胞前的阶段，细胞基本是全能性的。
经过器官发生，各种组织细胞的命运最终确定，
呈单能化，即只能以某一种特定方式发育成一种细
胞的潜能。 受精卵由全能→多能→单能的这一过程称为细 胞的单能化。因此，细胞发育被视为分化能力逐渐
受限制的过程，即选择基因表达的规律。
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三、体细胞的分化潜能
成体中的细胞分化有三种形式：
①已存在的细胞功能由弱、强、减退到丧失。 细胞生长的过程也是分化的过程。 ②已有的分化细胞通过分裂产生两个功能相 同的细胞，如血管内皮细胞。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
细胞分化的关键在于特异性蛋白质的合成，实质
在于基因的选择性表达。
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三、细胞分化的特点

1、 稳定性：是指在正常生理条件下，已经分 化为某种特异的、稳定类型的细胞一般不可能 逆转到未分化状态或者成为其他类型的分化细 胞。 例如，神经元在整个生命过程中都保持着 特定的分化状态。一个离体培养的皮肤上皮细 胞保持为上皮而不转变为其他类型的细胞；黑 色素细胞在体外培养30多代后仍能合成黑色素。
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2、可逆性：在一定的条件下，高度分化的细
胞可以重新分裂而回到胚胎性细胞状态，这种现 象叫做去分化（dedifferentiation）或称脱分 化，也称细胞分化的可逆性。 例如，人的皮肤基底层细胞在离体培养时， 在缺乏维生素A的条件下转化为角细胞，在富含维
生素A的条件下则分化为分泌粘液的粘膜上皮细胞
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多能细胞（pluripotent cell）：
当囊胚和三胚层形成之后，随着细胞空间关 系的变化和微环境的差异，多胚层细胞在分化潜 能上开始出现一定的局限性，只倾向于发育为本 胚层的组织器官。三胚层的分化潜能虽然局限，
但仍然具有发育成多种表型的能力，这种细胞称
为多能细胞。
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单能（unipotency）细胞：
一、转录水平的调节
（一）DNA甲基化 （二）活化染色质结构的特异调控区 （三）各种调控元件调节转录 （四）核内RNA （五）nRNA差别加工 （六）专一mRNA的降解
二、翻译水平的调节
受精卵发育为一个新的个体，是受一系列 基因调控的，这些基因在发育过程中，按照时
间、空间顺序启动和关闭，互相协调对胚胎细
③成体许多组织具有一部分未分化的细胞， 一旦需要，这些细胞便进行细胞分裂，经过分化 产生新的子细胞，这部分未分化的细胞称为组织 干细胞（stem cell）。
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成体干细胞的分化与早期胚胎细胞不同： ①成体干细胞的分裂多为不对称分裂，分裂后 产生的2个子细胞中，一个仍为干细胞，另一个分 化为功能细胞；
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将人兽细胞融合，其实是科学家不得已的手段。 人类的体细胞，大多是分化细胞，早就丧失 了发育成胚胎的能力。但是，干细胞研究却发现， 如果将卵母细胞的细胞核去掉，代之以这种体细 胞的细胞核，就有可能让体细胞返老还童。 卵母细胞如同神奇的魔法师，唤醒体细胞细 胞核中潜藏的能力，并能让它发育到囊胚阶段， 这样，科学家可以从中提取出胚胎干细胞。 可惜，这个技术并不成熟，成功率非常低， 这就需要大量的卵母细胞。但是，从女性身上直 接采取卵母细胞是非法的。在没办法的情况下， 只好退而求其次，向动物要卵母细胞。好在动物 的卵母细胞同样能“激发”人类的体细胞。
或具有纤毛的上皮细胞。
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3、全能性：在一定条件下，细胞表达其 全部遗传信息，并进而发育成完整的充分 分化的机体的能力。
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细胞核移植实验
实验表明，已分化的 肠上皮细胞核中仍然保持 着能分化出成体蛙各种组 织细胞的全套基因。
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2007年9月5日，英国“人工受精与胚胎学管 理局” 原则上批准了一类人兽混合胚胎的实验。 这意味着英国科学家终于可以正式进行这类人兽 混合胚胎研究。
化的特化细胞。这些细胞都保留着全套基因组，
并在特殊条件下可表现出全能性 —细胞核全能性。
1978年童第周成功地将黑斑蛙成熟的细胞核
移入去核的受精卵细胞内，培育出了蝌蚪； 60年
代的爪蟾和 80年代的小鼠核移植， 90年代末“多 利”羊的诞生都证明了分化细胞具有完整的 DNA 。
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第三节
细胞分化与基因表达
第十二章 细胞分化
(cell differentiation)
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第一节 细胞分化的基本概念

细胞决定与细胞分化


细胞分化的概念
细胞分化的特点 单细胞生物和多细胞生物的细胞分化
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一、细胞决定与细胞分化

细胞决定（determination）：细胞在发生可识别 的形态变化之前，就确定了未来发育命运，即已 受到约束而向着特定的方向分化。
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2007年3月25日，世界第一只人兽混种羊在美 国内华达大学诞生，目前羊体内的人类细胞比例 达到15%，动物细胞比例为85%。这项研究的最终 目标是在绵羊体内“种”出病人需要的各种可移 植器官。 过程包括从病人的骨髓中提取干细胞，然后 将其注入一只绵羊的胚胎腹膜中，等胚胎发育成 形、羊羔降生，人类干细胞也会通过新陈代谢系 统进入绵羊所有器官的循环系统。两个月后，绵 羊含有部分人类基因的肝脏、心脏和大脑就会发 育健全，这时就能“回收利用”了。这样，人兽 混种绵羊将成为“活体工厂”，为人类提供组织 器官，同时也可用于药物实验。
的形态和功能，这是时间上的分化。同源细胞一 旦分化，由于各种细胞所处的空间位置不同，其 环境也不一样，出现形态上的差异和机能上的分
工，产生不同的细胞类型称为空间上的分化。
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6、普遍性
细胞分化是一种普遍存在的生命现象， 在整个个体发育中均有细胞分化活动。
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四、单细胞生物和多细胞生物的 细胞分化

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1999年，盛慧珍离开工作了十多年的美国国立 卫生院(NIH)的实验室，回国担任上海第二医科 大学发育生物学研究中心的主任，并在以后承担 了973“干细胞的基础研究与临床应用项目”。 2003年，盛慧珍领导的研究小组运用克隆技 术，从外科废弃的皮肤组织中提取细胞，并将这 些细胞融合到新西兰兔的去核卵母细胞中，成功 获得数百个融合胚胎，其中有一百多例发育至囊 胚阶段，并提取得到了胚胎干细胞。这篇论文当 时发表在国内的《细胞研究》(Cell Research)上。 《自然》、《华尔街日报》、《华盛顿邮报》均 在文章发表的同一天和第二天做出了评论，因为 这是国际上第一例人兽胚胎融合成功的报道。