细胞分化

在个体发育进程中，细胞发生化学组成、形态结构和功能彼此互异的过程。细胞分化普遍存在于生物界，在单细胞生物中已出现细胞分化的迹象，在高等生物体内，细胞分化特别显著。细胞分化过程一般是不可逆的，它导致个体成熟、衰老和死亡。细胞分化是一个复杂的生物学问题，它既受遗传物质的调控，也受外界环境的影响。遗传学家认为细胞分化主要由细胞核控制。胚胎学家则认为细胞质的差异是分化的基础。

在个体发育进程中，细胞发生化学组成、形态结构和功能彼此互异的过程。细胞分化普遍存在于生物界，在单细胞生物中已出现细胞分化的迹象，在高等生物体内，细胞分化特别显著。细胞分化过程一般是不可逆的，它导致个体成熟、衰老和死亡。细胞分化是一个复杂的生物学问题，它既受遗传物质的调控，也受外界环境的影响。遗传学家认为细胞分化主要由细胞核控制。胚胎学家则认为细胞质的差异是分化的基础。目前研究细胞分化的途径有二：一是从分子水平阐明其机理；二是通过实验胚胎学和实验细胞学方法从细胞和机体水平进行研究。

细胞的全能性和异质性

细胞的全能性

一个全能性细胞应该有表达其基因库中任何一种基因的能力，即能分化成该种生物体内任何一种类型的细胞。在理论上，每个配备了完整基因组的细胞（包括性细胞和体细胞）都应该是全能性的，但实际上是体细胞表达基因的程度要比性细胞低得多。受精卵表现出最高的全能性，因为个体中的每一种形态和机能各异的细胞都是合子分生后代的分化产物，其全能性随着发育过程而逐渐减退。高等绿色植物细胞除高度特化的细胞外，均能持久地保留其发育的全能性，如薄壁细胞能恢复其分生能力，各种组织的切段，通过形成愈伤组织而再度分化出植株的全部器官。

细胞的异质性

未分化的胚胎细胞常含有一些初级蛋白质成分，它是细胞的基本组成成分，为一切生活细胞所必需的，即使在随后剧烈的分化过程中也不会丢失，如核酸和蛋白质的生物合成酶类。细胞分化到一定阶段，出现次级蛋白质成分，它是某种细胞所特有、而为其他细胞所缺少的成分，如三羧酸循环的酶成分仅在进行需氧呼吸的细胞中存在，而处于厌氧条件下的细胞则缺如。在细胞分化终了形成终末细胞时出现三级蛋白质，它成为本类型细胞的特征性成分，如红细胞所含的血红蛋白、表皮细胞的角蛋白和浆细胞的γ球蛋白等。

细胞分化的分子机理

生物体的性状出现，包括细胞内的物质代谢变化都由遗传物质决定。细胞分化的分子基础是细胞基因表达的差别。

基因表达的时-空模式

一般情况下，各种类型的分化细胞都具有相同的基因组。在个体发育过程中，细胞内的基因并非都是同时进行表达，而只表达基因库中的极小部分内容，即在同一时间内，有的基因有活性，有的基因无活性；而在另一时期和另一部位，原来有活性的基因可能继续处于活性状态，也可能关闭，而原来处于沉默的基因可能转为活动状态。这就是个体发育过程中基因按一定程序继续激活的现象，称基因的差次表达或顺序表达。

基因表达的调控

在胚胎发育过程中，如何使某种细胞的基因有选择性地进行表达，即基因的调控，是细胞分化的关键。

在已分化细胞中仍然保留着整套染色体的全部基因，因此，细胞分化一般不是因为某些基因丢失或永久性失活所致，而是不同类型细胞有不同基因表达的结果，因此它不是在转录成mRNA时调节就是在翻译成蛋白质时进行调节。所谓翻译水平上的调节即基因转录的各种mRNA并不都能翻译成蛋白质，在不同的细胞中有不同的mRNA得到翻译，结果不同的细胞才有不同的蛋白质，细胞间才有分化。即使是分化的细胞，如果其他分化细胞所特有的mRNA进入这种细胞内也能进行翻译，即在分化细胞内并无专门翻译某种mRNA而不翻译其他mRNA的调节机制。因此，细胞分化时基因表达的调节主要不在翻译水平上进行。

各种已分化细胞一般都保留有全套的基因，而翻译过程又缺乏基因表达的调节机制，故细胞分化时的基因表达机制主要在转录水平上发生。细胞分化的本质就是不同类型的细胞专门激活某些特定的基因，使之转录成特定的mRNA的过程。

果蝇及其他双翅目昆虫的唾腺染色体是多线染色体，其疏松区是基因活化区，进行着旺盛的RNA合成，用放线菌素D会阻碍疏松区的形成，证明它即是基因转录区。多线染色体上具有许多横纹，究竟哪些横纹变成疏松区依不同组织而异，同一种组织在不同发育阶段也有很大变化，显示在细胞分化过程中，染色体上的基因转录按一定程序进行。组蛋白能使基因转录过程关闭，而非组蛋白则能有选择地使基因启动。关于基因表达的调控机制尚有待继续研究。

影响基因表达的因素

基因表达需要一定条件。一般低等动物及植物易受外界环境的影响，高等动物因胚胎发育时的外环境及成体发育的内环境都比较稳定，所以细胞分化更多地直接由基因支配。影响基因表达都是通过某种因子使基因开放或关闭所致，这些因子有的是细胞内合成的，有的是从细胞外进入的。

细胞质因子

细胞质有控制基因表达的作用，可以认为细胞分化是特定细胞质与基因相互作用的结果。细胞质中必需预先存在一些结构或成分作为模板，才能形成新的结构或成分，如许多细菌经青霉素处理后失去细胞壁，虽仍能存活和繁殖，但再也不能形成细胞壁，又如细胞质中原来不存在糖原，即使细胞核内的有关基因被激活也不会再合成糖原。

细胞外因子

细胞环境和所处的位置是决定细胞命运的关键因素。①细胞表面是外界物质进入细胞的屏障，它可以有选择地使一些物质分子通过或不能通过，起着筛选分子的作用。细胞表面的一些分子往往可以诱导细胞产生分化。②细胞间的接触，如动物细胞的连接复合体或植物细胞的胞间连丝均是与细胞分化有关的结构。细胞分化方向往往受周围细胞的诱导，因此在早期胚胎发育过程中，细胞命运会受细胞所处的位置和它们的相互接触所支配。③高等动物的有些细胞需要迁移才能完成最后分化，如将两栖类神经外胚层和中胚层细胞混合后培养，最初无规则排列的细胞由于运动而逐渐形成外胚层在外、中胚层在内的有组织的结构形式。④营养成分，如将人的表皮基底细胞进行离体培养，当培养基中缺乏维生素A时，基底细胞则分化成角化细胞；如培养基中富含维生素A时，则分化成能分泌粘液的上皮细胞或具纤毛的上皮细胞。⑤温度、光线、电荷、压力、离子等亦影响细胞的分化。

激素的作用

动植物体内产生种类各异的激素，它可改变细胞分化的方向，除能诱导转录之外，可能对翻译过程进行调节，影响酶的活性。甲状腺素是蝌蚪变成蛙的必需激素；昆虫由卵变蛹后再变为成虫需要蜕皮素的参与；对离体培养的植物愈伤组织块用生长素处理时则优先生根，用激动素处理时则优先生芽。

细胞分化因子

即组织特异生长因子。哺乳动物肾脏能形成促红细胞生成素，主要作用于定向干细胞，促进其分化为原红细胞，刺激原红细胞的RNA合成、蛋白质合成、DNA合成和有丝分裂，随后再诱导生成合成血红蛋白的mRNA，使原红细胞经历了逐步发育的阶段，最后形成成熟的红细胞。神经细胞生长因子实际上是分化因子，它并不促进神经细胞的分裂，而是加速神经细胞的分化成熟，从而使交感神经节内的神经元数量增多、体积加大。当用神经细胞生长因子处理肾上腺髓质细胞时，可诱导其分化为交感神经元。

胚胎发育过程中的细胞分化

细胞分化存在于生物体的整个生命过程中，胚胎期表现尤为明显。动物体的胚胎发育从受精卵开始，经过卵裂、囊胚、原肠胚、三胚层分化，随后逐步出现了该种生物所特有的组织和器官。胚胎发育的主要过程是细胞的分裂、生长和分化。通过分裂，细胞数量不断增加；生长过程中细胞合成大量生命物质，胚体重量增加；分化是个体发育的中心环节，通过分化，细胞逐步发生永久性的形态结构和化学组成的变化，以行使其特异的生理功能。胚胎细胞的分裂和分化受遗传性的预定程序所控制，因此在发育的各个特定时期陆续出现特定的细胞分裂形式和分化类型。

囊胚期以前的胚胎细胞一般是全能的，每一个都能发育成完整的个体。囊胚期后，细胞内部的遗传因素、环境、营养、激素及细胞间的相互作用，逐渐在形态和功能上转变为不相同的细胞。原肠形成是胚胎细胞分化的开始阶段，胞核内开始产生一些以前发育阶段所没有的mRNA，这对原肠胚本身的形成和发育都是不可缺少的。内、外、中三个胚层的出现是胚胎细胞在相对位置和排列上的变化，每一胚层细胞都有其不同的特化方向，它们在发育过程中将分别产生形态、功能完全不同的细胞、组织和器官。

在个体发育进程中，细胞间的相互作用对细胞的分化影响很大。两个不同组织的细胞相互作用可决定细胞的分化方向，即诱导作用。各个器官之间也存在诱导现象。诱导是一种普通现象，如视泡诱导覆盖其上的外胚层形成晶状体，晶状体又诱导其对侧的外胚层产生角膜。诱导作用由化学诱导物质（包括蛋白质类和核酸核蛋白等）从诱导组织渗入反应组织，可能使特殊基因激活，从而编码合成细胞分化所需的蛋白质。

细胞粘连对高等动物胚胎发育和形态建成起一定作用，是通过细胞表面分子化学结构或构型的不同，使细胞显示不同的粘连特性。细胞粘连的特异性不但表现在不同的组织细胞，还表现有种属的特异性，且与发育阶段有关。

成体中的细胞分化

成体已分化的细胞各具特殊的形态结构。正常机体中，各种类型细胞的数量基本保持恒定，高度分化的神经细胞，其寿命与个体寿命等长，红细胞和上皮细胞的寿命则很短，不断由新生的细胞来补充，以取得机体各器官的动态平衡。干细胞是指某些组织中含有的原始细胞，它在生物体一生中都能分裂增殖，产生分化的细胞和新的干细胞。

造血干细胞的分化

造血干细胞是能增殖分化成各种血细胞的原始造血细胞。它主要存在于造血组织中，如骨髓、脾脏，在外周血中也存在极少量（约1%），它具有很强的增殖力和分化成多种血细胞的潜在力及自我复制的更新力，因此能持续地补充各种血细胞。在机体需要增强造血时，由造血干细胞发育成血细胞的整个过程加快。干细胞先分化成粒细胞系、单核细胞系、红细胞系、巨核细胞—血小板系和淋巴细胞系等定向干细胞，即各系的母细胞。定向干细胞虽属干细胞，但它已有分化，失去多向性分化的能力，不能发育成各种血细胞，只能向一系或密切相关的二系细胞（如中性粒细胞和巨噬细胞）分化，以后由各系母细胞进一步分化成血流中的各种血细胞成分。

消化道上皮的干细胞

胃肠道粘膜上皮细胞在个体一生中都在不断更新着，每段胃肠道都可区分出增生带和功能带，即在胃腺和肠腺底部细胞能增生，并向上移动时逐步分化成熟而成为有功能活动的细胞。目前认为小肠上皮的4种类型细胞，即吸收细胞、柱状细胞、潘氏细胞和内分泌细胞均由腺体底部未分化的干细胞发育而来。