细胞分化是什么?关于细胞分化的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:53:21

细胞分化是细胞从一种细胞类型变化到另一种的过程。通常,细胞会变成一种更特殊的类型。在胚胎发育过程中,一个简单的受精卵发展到一个复杂的系统组织和细胞类型,因此细胞能够发生多次分化。成年后分化继续成体干细胞划分并创建完全不同的子细胞在组织修复和正常细胞更新过程中。有些细胞分化是由于抗原应答。分化极大地改变了细胞的大小、形状,膜电位, 代谢活动、以及对信号的应答反应。这些变化主要是由于对基因表达高度可控的修饰和表观遗传学的进展。除了少数例外,细胞分化不会改变DNA序列本身。因此,不同的细胞尽管具有相同的基因组,但具有非常不同的物理特征。

一种被称为“终末分化”的特殊类型分化,在某些组织中很重要,例如脊椎动物的神经系统、横纹肌、表皮和肠道。在终末分化过程中,以前能够进行细胞分裂的前体细胞,永久地离开细胞周期,分解细胞周期机制,并且经常表达一系列代表细胞最终功能的基因(例如肌球蛋白和肌动蛋白)。如果细胞的能力和功能发生进一步变化,分化可能在终末分化后继续发生。

在正在分裂的细胞中,细胞潜能具有较高水平,即细胞分化成其他细胞类型的能力。更大的潜能表明可以衍生更多的细胞类型。一种可以分化成包括胎盘组织在内的所有细胞类型的细胞被称为全能细胞。在哺乳动物中,只有受精卵和随后的卵裂球是全能的,而在植物中,许多分化的细胞可以通过简单的实验室技术变成全能细胞。一种能分化成成人有机体所有细胞类型的细胞被称为多功能细胞。这种细胞在高等植物中被称为分生细胞,在动物中被称为胚胎干细胞,尽管一些群体报告了成人多能细胞的存在。四种转录因子 10月4日、Sox2 、c-Myc 和Klf4 ( 山中因子)的病毒诱导表达足以从成人成纤维细胞产生多能性(iPS)细胞。一个多能细胞可以分化成多种不同但密切相关的细胞类型。寡能细胞比多能细胞更受限制,但仍能分化成几个密切相关的细胞类型。最后,单能性细胞只能分化成一种细胞类型,但能够自我更新。在细胞病理学中,细胞分化水平被用作癌症进展的量度。“等级”是肿瘤细胞分化程度的标志。

哺乳动物细胞类型

哺乳动物身体由三种基本类型的细胞组成:生殖细胞,体细胞和干细胞。一个成年人大约有37.2万亿(3.72x10^13)个含有细胞核的细胞。大多数细胞有两份染色体。这种细胞称为体细胞,构成人体的大部分,如皮肤和肌肉细胞。细胞分化能够实现特定的功能。生殖细胞是产生配子 -卵子和精子-的细胞系,因此是连续世代。另一方面,干细胞具有无限期分裂的能力,并能产生特化细胞。

发育始于精子与卵子受精时,并产生一个可能形成完整生物体的单细胞。受精后的最初几个小时,这个细胞分裂成相同的细胞。在人类中,大约在受精后四天,经过几个细胞分裂周期后,这些细胞开始特化,形成一个中空的细胞球,称为胚泡。胚泡有外层细胞,在这个空心球里,有一簇细胞,叫做内细胞团。内细胞团的细胞继续形成几乎所有的人体组织。尽管内细胞团的细胞可以形成人体内几乎所有类型的细胞,但它们不能形成有机体。这些细胞被称为多能。多能干细胞进一步特化成多能祖细胞,然后产生功能细胞。干细胞和祖细胞的例子包括:

  • 放射状胶质细胞 (胚胎神经干细胞)通过神经发生过程在胎儿脑中产生兴奋性神经元。
  • 造血干细胞(成体干细胞)来自骨髓,其产生红细胞、白细胞和血小板。

  • 间充质干细胞(成体干细胞)来自骨髓, 其产生基质细胞、脂肪细胞和骨细胞类型。

  • 上皮干细胞(祖细胞)产生不同类型的皮肤细胞。

  • 肌肉卫星细胞 (祖细胞)有助于分化的肌肉组织。

由四种氨基酸,精氨酸,甘氨酸,天冬酰胺和丝氨酸组成的细胞粘附分子引导的途径,能够为细胞卵裂球区分从单层囊胚三个初选生殖细胞层哺乳动物,即外胚层,中胚层和内胚层(从最远端(外部)到近端(内部)列出)。外胚层最终形成皮肤和神经系统,中胚层形成骨骼和肌肉组织,内胚层形成内部器官组织。

脱分化

显微图一个脂肉瘤伴有一些去分化,不可识别为脂肪肉瘤(图像左边缘)和分化成分(伴有成脂细胞并且增加了血管分布(图像右侧))。完全分化(形态良性)脂肪组织(图像中央)几乎没有血管。

去分化或整合是常见于更基础生命形式中的细胞过程,例如蠕虫和两栖动物,其中部分或终末分化的细胞回复到早期发育阶段,通常作为再生过程的一部分。去分化也发生在植物中。细胞培养物中的细胞可能会失去它们原来具有的特性,例如蛋白质表达或改变形状。这个过程也被称为去分化。

一些人认为去分化是导致癌症的正常发育周期的异常,而另一些人认为这是人类在进化过程中失去免疫反应的自然部分。已经发现了一种被称为可逆性的小分子嘌呤类似物,其已被证明在肌管中诱导去分化。这些去分化的细胞然后可以再分化成成骨细胞和脂肪细胞。

机制

细胞分化机制

每个专业细胞类型能够表达组成所有的基因的一部分基因。每一种细胞类型都是由其特定的基因表达规律所定义。因此,细胞分化是细胞从一种类型向另一种类型的转变,即从一种基因表达模式向另一种模式的转变。细胞分化在发展期间可以理解为一个基因调控网络。调控基因及其顺式调控模块是基因调控网络中的节点;它们在网络的其他地方接收输入并产生输出。发育生物学的系统生物学方法强调研究发育机制如何相互作用以产生可预测的模式(形态发生)的重要性。(然而,最近有人提出了另一种观点。基于随机基因表达,细胞分化是细胞中发生的达尔文选择过程的结果。在这个框架中,蛋白质和基因网络是细胞过程的结果,而不是它们的原因。

主要信号转导途径概述

少数进化基本保守类型的分子过程通常涉及控制这些开关的细胞机制。控制细胞分化的主要分子过程包括细胞信号。在细胞分化控制期间,许多在细胞间传递信息的信号分子被称为生长因子。尽管特定的信号转导途径的细节不同,但这些途径通常具有以下步骤。一个细胞产生的配体与另一个细胞细胞外区的受体结合,诱导受体的构象变化。受体胞质结构域的形状改变,受体获得酶活性。然后受体催化磷酸化其他蛋白质的反应,激活它们。一连串的磷酸化反应最终激活一个休眠的转录因子或细胞骨架蛋白,从而促进靶细胞的分化过程。细胞和组织对外界信号的反应能力各不相同。

信号诱导是指信号事件的级联,在此期间,一个细胞或组织向另一个细胞或组织发出信号以影响其发育命运。Yamamoto 和 Jeffery研究了透镜在穴居和地表鱼类眼睛形成中的作用。通过相互移植,他们发现表层鱼类的晶状体囊泡可以诱导洞穴鱼类和表层鱼类眼睛的其他部位发育,而洞穴鱼类的晶状体囊泡则不能。

其他重要的机制属于不对称细胞分裂的范畴,这种分裂产生具有不同发育命运的子细胞。不对称的细胞分裂可能是由于母体细胞质决定簇的不对称表达或信号传导引起的。在前一种机制中,由于亲代细胞中调节分子的不均匀分布,在胞质分裂期间产生不同的子细胞;每个子细胞继承的不同细胞质导致每个子细胞的不同分化模式。通过不对称分裂形成图案的一个被充分研究的例子是果蝇体轴图案化。核糖核酸分子是一种重要的细胞内分化控制信号。不对称细胞分裂的分子和遗传基础也在绿藻属中进行了研究团藻一个研究单细胞生物如何进化成多细胞生物的模型系统。在团藻卡特里中,32细胞胚胎前半球的16个细胞不对称分裂,每个细胞产生一个大的和一个小的子细胞。在所有细胞分裂结束时,细胞的大小决定了它是成为特定的生殖细胞还是体细胞。

表观遗传控制

每个细胞,不管细胞类型,都具有相同的基因组,细胞类型的确定必须在基因表达的水平上进行。虽然基因表达的调节可以通过顺式和反式调节元件发生,包括基因的启动子和增强子,但问题在于如何在细胞分裂的许多代中保持这种表达模式。事实证明,表观遗传过程在调节干细胞、祖细胞或成熟细胞命运的决定中起着至关重要的作用。在基因调控网络的系统生物学和数学建模中,细胞命运的确定被预测为表现出某些动力学,例如吸引子收敛(吸引子可以是平衡点、极限环或奇异吸引子)或振荡。