第十二章细胞分化第二节细胞分化的主要机制前面提到细胞分化是指细胞后代在形态结构和功能上发生差异的过程，通过细胞分化，使具有相同遗传组成的细胞，选择性地表达不同的基因，产生不同的结构蛋白、执行不同的功能，共同参与构成一个复杂的细胞社会一一个体，所以细胞分化的实质是基因的差别表达（differentialexpression）。细胞分化与形态发生（morphogenesis）是相互联系在一起的，后者是指通过细胞的增殖、分化和行为（如粘附、迁移、调亡）塑造组织、器官和个体形态的过程。随着细胞的分裂和分化，细胞的发育方向逐渐被限定，当尚未定向的细胞不可逆地转变为某种定向细胞的时刻，细胞的命运就被固定了，因而也称之为决定（determination），如哺乳动物桑椹胚的内细胞团和外围细胞，前者形成胚胎、后者形成滋养层。不同种属动物，其早期胚胎细胞出现决定的时间不同。无脊椎动物早期的卵裂球已经决定，每个卵裂球可以形成身体的一部分，但是任何一部分卵裂球都不能发育为完整的个体。而哺乳类胚胎在8细胞期以内，任何一个细胞都具有发育为一个个体的能力，即使在16细胞期，仍可发现个别细胞具有独立发育成后代的能力。细胞分化的机理及其复杂，概括而言细胞的分化命运取决于两个方面：一是细胞的内部特性，二是细胞的外部环境，前者与细胞的不对称分裂（asymmetricdivision）以及随机状态有关，尤其是不对称分裂使细胞内部得到不同的基因调控成分，表现出一种不同于其它细胞的核质关系和应答信号的能力：后者表现为细胞应答不同的环境信号，启动特殊的基因表达，产生不同的细胞的行为，如分裂、生长、迁移、粘附、调亡等，这些行为在形态发生中具有极其重要的作用。以下我们对细胞的不对称分裂、诱导机制、细胞数量控制、细胞行为变化等分化和发育的主要机制作简要地介绍。一、不对称分裂动物受精卵并不是均一结构，而是具有高度的异质性。首先，卵母细胞的核并不位于中央而是在细胞外周靠近表面的地方，极体就是从这里形成并释放出长的（图12-3），通常把极体释放的位点称为北极或动物极，而相对的一极称为南极或植物极。其次，卵细胞中的蛋白质、mRNA并非均匀分布的，而是定位于特定的空间。动物卵细胞中，贮存有2-5万种不同的mRNA，专供受精卵的启动、分化和发育之用，用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵，使RNA的合成受到抑制，胚胎发育仍能进行至囊胚期，但如用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素或亚胺环己酮处理受精卵，则受精卵完全停止分化发育
第十二章 细胞分化 第二节 细胞分化的主要机制 前面提到细胞分化是指细胞后代在形态结构和功能上发生差异的过程，通过细胞分化，使 具有相同遗传组成的细胞，选择性地表达不同的基因，产生不同的结构蛋白、执行不同的功能， 共同参与构成一个复杂的细胞社会——个体，所以细胞分化的实质是基因的差别表达（differential expression）。细胞分化与形态发生（morphogenesis）是相互联系在一起的，后者是指通过细胞的 增殖、分化和行为（如粘附、迁移、凋亡）塑造组织、器官和个体形态的过程。 随着细胞的分裂和分化，细胞的发育方向逐渐被限定，当尚未定向的细胞不可逆地转变为 某种定向细胞的时刻，细胞的命运就被固定了，因而也称之为决定（determination），如哺乳动物 桑椹胚的内细胞团和外围细胞，前者形成胚胎、后者形成滋养层。 不同种属动物，其早期胚胎细胞出现决定的时间不同。无脊椎动物早期的卵裂球已经决定， 每个卵裂球可以形成身体的一部分，但是任何一部分卵裂球都不能发育为完整的个体。而哺乳类 胚胎在 8 细胞期以内，任何一个细胞都具有发育为一个个体的能力，即使在 16 细胞期，仍可发 现个别细胞具有独立发育成后代的能力。 细胞分化的机理及其复杂，概括而言细胞的分化命运取决于两个方面：一是细胞的内部特 性，二是细胞的外部环境，前者与细胞的不对称分裂（asymmetric division）以及随机状态有关， 尤其是不对称分裂使细胞内部得到不同的基因调控成分，表现出一种不同于其它细胞的核质关系 和应答信号的能力；后者表现为细胞应答不同的环境信号，启动特殊的基因表达，产生不同的细 胞的行为，如分裂、生长、迁移、粘附、凋亡等，这些行为在形态发生中具有极其重要的作用。 以下我们对细胞的不对称分裂、诱导机制、细胞数量控制、细胞行为变化等分化和发育的主 要机制作简要地介绍。 一、不对称分裂 动物受精卵并不是均一结构，而是具有高度的异质性。首先，卵母细胞的核并不位于中央， 而是在细胞外周靠近表面的地方，极体就是从这里形成并释放出长的（图 12-3），通常把极体释 放的位点称为北极或动物极，而相对的一极称为南极或植物极。其次，卵细胞中的蛋白质、mRNA 并非均匀分布的，而是定位于特定的空间。 动物卵细胞中，贮存有 2-5 万种不同的 mRNA，专供受精卵的启动、分化和发育之用，用 转录抑制剂放线菌素 D 处理海胆受精卵，使 RNA 的合成受到抑制，胚胎发育仍能进行至囊胚 期，但如用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素或亚胺环己酮处理受精卵，则受精卵完全停止分化发育
卵的异质性使卵的分裂必然是不对称的，不同的子细胞得到的“家产”不同，因此具有不同的分化命运，例如昆虫是以表面卵裂的方式形成胚层细胞的，迁入卵的后端极质部的细胞发育为原始生殖细胞，用紫外线照射卵的这一区域，破坏极质，将会发育为无生殖细胞的不育个体。在胚胎发育阶段，不对称分裂是常见的现象，如果蝇神经系统发生时，成神经细胞经过连续不对称分裂，像出芽的一样产生一些小细胞，这些小细胞是神经节母细胞（ganglionmothercells），再经过一次分裂形成神经元或神经胶质细胞。在哺乳动物中，干细胞的分裂也是不对称的，产生一个祖细胞和另一个干细胞，祖细胞只具有有限的自我更新能力，只能分化为终端细胞。二、诱导机制诱导（induction）就是一部分细胞诱导其它细胞向特定方向分化的现象，也叫胚胎诱导（embryonicinduction），对其它细胞起诱导作用的细胞称为诱导者（inductor）或组织者，如脊索可诱导其项部的外胚层发育成神经板，神经沟和神经管。这种诱导是通过信号来实现的，其中有些诱导信号是短距离的，仅限于相互接触的细胞间；有些是长距离的，通过扩散作用于靶细胞。通常把响应诱导信号的同类细胞叫做形态发生场（morphogeneticfield）。除了上述的典型的诱导方式外，还有其它一些方式，如：级联信号（cascadesignaling）、梯度信号（gradientsignaling）、抗信号（antagonisticsignaling）、组合信号（combinatorialsignaling）、侧向信号（lateralsignaling）等（图12-8)。表1一些诱导信号配体受体信号途径拮抗物EGFEGF受体Argos受体酪氨酸激酶FGF（branchless）FGF受体ephrinsEph受体TGFβ家族TGFβTGFβ受体BMP (Dpp)BMP受体Chordin (Sog),nogginNodalWNTWNTFrizzledDikkopf, sFRP,CerberusHedgehogHedgehogNotchDeltaNotchFringe
卵的异质性使卵的分裂必然是不对称的，不同的子细胞得到的“家产”不同，因此具有不同的 分化命运，例如昆虫是以表面卵裂的方式形成胚层细胞的，迁入卵的后端极质部的细胞发育为原 始生殖细胞，用紫外线照射卵的这一区域，破坏极质，将会发育为无生殖细胞的不育个体。 在胚胎发育阶段，不对称分裂是常见的现象，如果蝇神经系统发生时，成神经细胞经过连续 不对称分裂，像出芽的一样产生一些小细胞，这些小细胞是神经节母细胞（ganglion mother cells）， 再经过一次分裂形成神经元或神经胶质细胞。在哺乳动物中，干细胞的分裂也是不对称的，产生 一个祖细胞和另一个干细胞，祖细胞只具有有限的自我更新能力，只能分化为终端细胞。 二、诱导机制 诱导（induction）就是一部分细胞诱导其它细胞向特定方向分化的现象，也叫胚胎诱导 （embryonic induction），对其它细胞起诱导作用的细胞称为诱导者（inductor）或组织者，如脊索 可诱导其顶部的外胚层发育成神经板，神经沟和神经管。这种诱导是通过信号来实现的，其中有 些诱导信号是短距离的，仅限于相互接触的细胞间；有些是长距离的，通过扩散作用于靶细胞。 通常把响应诱导信号的同类细胞叫做形态发生场（morphogenetic field）。除了上述的典型的诱导 方式外，还有其它一些方式，如：级联信号（cascade signaling）、梯度信号（gradient signaling）、 拮抗信号（antagonistic signaling）、组合信号（combinatorial signaling）、侧向信号（lateral signaling） 等（图 12-8）。 表 1 一些诱导信号 信号途径 配体 受体 拮抗物 受体酪氨酸激酶 EGF EGF 受体 Argos FGF（branchless） FGF 受体 ephrins Eph 受体 TGFβ 家族 TGFβ TGFβ 受体 BMP（Dpp） BMP 受体 Chordin（Sog）,noggin Nodal WNT WNT Frizzled Dikkopf，sFRP，Cerberus Hedgehog Hedgehog Notch Delta Notch Fringe
A.Inductive signalingB.Gradient signalingC.AntagonistsignalingD. Cascade signalingE.CombinatorialsignalingF.Lateral signaling图12-8诱导信号的作用方式引自ThomasEdlundandThomasM.Jessell1999级联信号：初级诱导产生的组织又可以诱导其他组织的分化，产生逐级的诱导过程，最典型的事例是视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体，而晶体又可诱导外胚层形成角膜。梯度信号：外界信号呈梯度分布，细胞具有不同的响应阅浓度，导致不同的分化命运，随着外界信号浓度高低的不同，细胞的分化结果也不同，通常把在一个细胞或一个形态发生场中，按浓度梯度决定胚胎分化形式的信号分子叫做成形素（morphogen）。在果蝇中，胚胎的前后轴和背腹轴就是通过这种梯度信号来控制的。拮抗信号：细胞分泌物能与某些信号途径的配体或受体结合，阻断信号途径。令人感到惊的是，许多形态发生的事件竞然是由信号系统的拮抗分子引起的，例如蛙类神经系统的形态发生场，即可发育为神经细胞、也可发育为上皮细胞，其诱导者释放Chordin，能促进神经细胞的分化，但是Chordin并没有自已的信号途径，而是抑制BMP/TGFβ信号途径，后者能促进上皮细胞的发育。组合信号：一种信号分子决定靶细胞的一种分化命运，而两种信号分子则引起另外一种分化途径。侧向信号：细胞间的信号分子只有细微水平的差别，通过快速的反馈调节，使信号放大，决
图 12-8 诱导信号的作用方式 引自 Thomas Edlund and Thomas M. Jessell 1999 级联信号：初级诱导产生的组织又可以诱导其他组织的分化，产生逐级的诱导过程，最典 型的事例是视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体，而晶体又可诱导外胚层形成角膜。 梯度信号：外界信号呈梯度分布，细胞具有不同的响应阈浓度，导致不同的分化命运，随着 外界信号浓度高低的不同，细胞的分化结果也不同，通常把在一个细胞或一个形态发生场中，按 浓度梯度决定胚胎分化形式的信号分子叫做成形素（morphogen）。在果蝇中，胚胎的前后轴和背 腹轴就是通过这种梯度信号来控制的。 拮抗信号：细胞分泌物能与某些信号途径的配体或受体结合，阻断信号途径。令人感到惊讶 的是，许多形态发生的事件竟然是由信号系统的拮抗分子引起的，例如蛙类神经系统的形态发生 场，即可发育为神经细胞、也可发育为上皮细胞，其诱导者释放 Chordin，能促进神经细胞的分 化，但是 Chordin 并没有自己的信号途径，而是抑制 BMP/TGFβ 信号途径，后者能促进上皮细胞 的发育。 组合信号：一种信号分子决定靶细胞的一种分化命运，而两种信号分子则引起另外一种分 化途径。 侧向信号：细胞间的信号分子只有细微水平的差别，通过快速的反馈调节，使信号放大，决
定了细胞的分化特性。如Notch信号途径在果蝇中可以触发侧向抑制（lateralinhibition），使正在分化的神经元周围的前体细胞不再分化为神经元，而发育成上皮细胞。当Notch或其配体功能缺陷时，这种侧向抑制消失，神经元产生过多，导致胚胎死亡。必须说明的是并不是所有的分化事件都是诱导（或细胞的环境信号）引起的，有些和细胞自身的特性有关，也就是自发机制（autonomousmechanism）。警如，前边提到的卵的异质性和不对称分裂，就是典型的事例：还有一种情况是细胞的随机状态不同，也会造就分化命运的不同，例如哺乳动物胚胎直到8细胞期，各个细胞在形态和分化潜能上没有本质的区别，紧密化后处于内部的细胞将来形成内细胞团，进一步发育为胚胎，而处于外部的只能发育为滋养层。将小鼠4细胞期的分裂球，移植到紧密化后的细胞团外部，这些细胞也只能发育为滋养层。从这个例子上我们不难推测在组织和器官的构建中，可能也存在着同样的现象。三、细胞数量控制我们很容易回答人比老鼠大是因为人的细胞多，但却很难回答为什么人的细胞多，以及不同的器官为什么具有各自相对恒定的细胞数目？细胞数量控制不仅是发育中形态构建的重要机制，也是成体形态维持的重要机制。细胞数量主要取决于细胞分裂和细胞死亡，这两者都受外界信号的调节。（一）刺激细胞分裂早期的卵裂可以看作是一种自发机制，但是大多数情况下细胞分裂都依赖于外界信号的刺激，所以也属于诱导机制，这种方式意味着在一个细胞社会中，一个细胞只有在当别的细胞（或者说社会）需要它增殖的时候，它才开始增殖。刺激细胞分裂的信号分子主要有：各类细胞因子（如肽类生长因子）、激素和细胞外基质成分。在体外，细胞在没有生长因子的培养基中周期将会停在G1/S交界处(R点)，转变为Go期细胞。1肽类生长因子肽类生长因子主要通过旁分泌的方式作用于靶细胞，最最有代表性的信号途径是RPTK-ras途径，被激活的MAPK进入细胞核，促进细胞增殖相关基因的表达。Pulkkinen等（2003）发现成纤维生长因子及其受体在胰腺原基的生长和分化中起重要的作用，敲除Fgfr2b（成纤维生长因子受体2）基因的小鼠，胰腺明显较小，导管发育受阻。在体外培养时，加入外源的Fgfr2b配体，则刺激胰腺导管细胞的增殖而抑制内分泌细胞的分化。肽类生长因子可能也存在自分泌的方式作用于同类细胞。很早以前人们发现小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功能的胰腺组织，但如果把胰原基切成8小块分别培养，则都不能形成胰腺组织，再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。推测[5]可能是细胞数
定了细胞的分化特性。如 Notch 信号途径在果蝇中可以触发侧向抑制（lateral inhibition），使正在 分化的神经元周围的前体细胞不再分化为神经元，而发育成上皮细胞。当 Notch 或其配体功能缺 陷时，这种侧向抑制消失，神经元产生过多，导致胚胎死亡。 必须说明的是并不是所有的分化事件都是诱导（或细胞的环境信号）引起的，有些和细胞自 身的特性有关，也就是自发机制（autonomous mechanism）。譬如，前边提到的卵的异质性和不对 称分裂，就是典型的事例；还有一种情况是细胞的随机状态不同，也会造就分化命运的不同，例 如哺乳动物胚胎直到 8 细胞期，各个细胞在形态和分化潜能上没有本质的区别，紧密化后处于内 部的细胞将来形成内细胞团，进一步发育为胚胎，而处于外部的只能发育为滋养层。将小鼠 4 细 胞期的分裂球，移植到紧密化后的细胞团外部，这些细胞也只能发育为滋养层。从这个例子上我 们不难推测在组织和器官的构建中，可能也存在着同样的现象。 三、细胞数量控制 我们很容易回答人比老鼠大是因为人的细胞多，但却很难回答为什么人的细胞多，以及不 同的器官为什么具有各自相对恒定的细胞数目？细胞数量控制不仅是发育中形态构建的重要机 制，也是成体形态维持的重要机制。细胞数量主要取决于细胞分裂和细胞死亡，这两者都受外界 信号的调节。 （一）刺激细胞分裂 早期的卵裂可以看作是一种自发机制，但是大多数情况下细胞分裂都依赖于外界信号的刺 激，所以也属于诱导机制，这种方式意味着在一个细胞社会中，一个细胞只有在当别的细胞（或 者说社会）需要它增殖的时候，它才开始增殖。刺激细胞分裂的信号分子主要有：各类细胞因子 （如肽类生长因子）、激素和细胞外基质成分。在体外，细胞在没有生长因子的培养基中周期将 会停在 G1/S 交界处(R 点)，转变为 G0 期细胞。 1．肽类生长因子 肽类生长因子主要通过旁分泌的方式作用于靶细胞，最最有代表性的信号途径是 RPTK-ras 途径，被激活的 MAPK 进入细胞核，促进细胞增殖相关基因的表达。Pulkkinen 等（2003）发现 成纤维生长因子及其受体在胰腺原基的生长和分化中起重要的作用，敲除 Fgfr2b（成纤维生长因 子受体 2）基因的小鼠，胰腺明显较小，导管发育受阻。在体外培养时，加入外源的 Fgfr2b 配体， 则刺激胰腺导管细胞的增殖而抑制内分泌细胞的分化。 肽类生长因子可能也存在自分泌的方式作用于同类细胞。很早以前人们发现小鼠胚胎胰腺 原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功能的胰腺组织，但如果把胰原基切成 8 小块分别培 养，则都不能形成胰腺组织，再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。推测[5]可能是细胞数
量不足，导致自分泌或旁分泌信号不足，使增殖和分化受到抑制。肿瘤可以看作是机体的异常发育，在肿瘤形成方面也具有同样的现象，Fisher和Fisher(1967）将大量的肿瘤细胞注射到小鼠的门静脉，结果引起广泛的肝脏转移，小鼠短期内死亡。但是只注射50个肿瘤细胞时，小鼠处于明显的无瘤状态下生存，进行手术检查也未发现任何肿瘤。手术后关腹（缝合伤口）饲养，却发现小鼠很快因肝肿瘤大量增生而死亡，这是因为手术后伤口愈合时会分泌大量生长因子，刺激细胞增殖以修复伤口，同时生长因子也会作用于肿瘤细胞。这个现象说明了肿瘤细胞只有在达到临界数量后，会由于自分泌生长因子而引起爆发式的增殖。2.激素激素可看作是远距离细胞间的相互作用，虽然激素分布在整过循环系统，但它只作用于特定的靶细胞，促进其生长和分化。最典型的事例是性激素对性分化的影响，在雄性哺乳动物中睾丸分泌的激素能促进乌尔夫民管的发育，而抑制缪勒氏管[7的发育，摘除胚胎睾丸，则促进诊勒氏管的发育，形成雌性生殖管道。再如昆虫的保幼激素和脱皮激素，前者的功能是保持幼虫特征，促进成虫器官原基的发育，后者的功能是促进脱皮和成虫形态的出现，当两者保持一定的比例时，幼虫脱皮而长大，当保幼激素含量减少或不合成时，幼虫化蛹，成虫器官发育，最后变为成虫。成虫期又开始合成保幼激素，促进性腺的发育。3.细胞外基质细胞外基质能引起特定细胞的增殖和分化。细胞外基质中能与细胞表面的整合素相互作用：激活粘着斑激酶（FAK），FAK可以通过接头蛋白Grb2（growthreceptorboundprotein2）启动Ras信号途径，引起细胞增殖。在实验条件下，细胞外基质对干细胞的增殖和分化具有诱导作用，如干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上演变为上皮细胞；在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞：在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。在发育与创伤组织中，透明质酸合成旺盛。能促进细胞的增殖和迁移阻止细胞的分化，一旦细胞增殖够数则透明质酸被水解，取而代之的是硫酸皮肤素，硫酸软骨素等其它形式的氨基聚糖。（二）抑制细胞分裂胚胎时期至少有两种途径抑制细胞的分裂，一是下调刺激信号（如肽类生长因子）的水平，二是抑制细胞周期引擎。在肌肉发生（myogenesis）过程中，属于TGF-β超家族的肌肉抑制素（myostatin）是肌肉生长的负调控因子，自然界myostatin基因突变的动物会出现肌肉加倍的表型（"double-muscled”phenotype），该基因剔除的小鼠肌肉组织重量增加2-3倍。肌肉抑制素抑制成肌细胞的增殖是通过上调细胞周期素依赖性蛋白激酶CDK2的抑制因子p21和下调CDK2
量不足，导致自分泌或旁分泌信号不足，使增殖和分化受到抑制。 肿瘤可以看作是机体的异常发育，在肿瘤形成方面也具有同样的现象，Fisher 和Fisher（1967） 将大量的肿瘤细胞注射到小鼠的门静脉，结果引起广泛的肝脏转移，小鼠短期内死亡。但是只注 射 50 个肿瘤细胞时，小鼠处于明显的无瘤状态下生存，进行手术检查也未发现任何肿瘤。手术 后关腹（缝合伤口）饲养，却发现小鼠很快因肝肿瘤大量增生而死亡，这是因为手术后伤口愈合 时会分泌大量生长因子，刺激细胞增殖以修复伤口，同时生长因子也会作用于肿瘤细胞。这个现 象说明了肿瘤细胞只有在达到临界数量后，会由于自分泌生长因子而引起爆发式的增殖。 2．激素 激素可看作是远距离细胞间的相互作用，虽然激素分布在整过循环系统，但它只作用于特 定的靶细胞，促进其生长和分化。最典型的事例是性激素对性分化的影响，在雄性哺乳动物中， 睾丸分泌的激素能促进乌尔夫氏管的发育，而抑制缪勒氏管[7]的发育，摘除胚胎睾丸，则促进谬 勒氏管的发育，形成雌性生殖管道。再如昆虫的保幼激素和脱皮激素，前者的功能是保持幼虫特 征，促进成虫器官原基的发育，后者的功能是促进脱皮和成虫形态的出现，当两者保持一定的比 例时，幼虫脱皮而长大，当保幼激素含量减少或不合成时，幼虫化蛹，成虫器官发育，最后变为 成虫。成虫期又开始合成保幼激素，促进性腺的发育。 3．细胞外基质 细胞外基质能引起特定细胞的增殖和分化。细胞外基质中能与细胞表面的整合素相互作用， 激活粘着斑激酶（FAK），FAK 可以通过接头蛋白 Grb2（growth receptor bound protein 2）启动 Ras 信号途径，引起细胞增殖。 在实验条件下，细胞外基质对干细胞的增殖和分化具有诱导作用，如干细胞在 IV 型胶原和 层粘连蛋白上演变为上皮细胞；在 I 型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞；在 II 型胶原及软骨粘 连蛋白上发育为软骨细胞。在发育与创伤组织中，透明质酸合成旺盛。能促进细胞的增殖和迁移， 阻止细胞的分化，一旦细胞增殖够数则透明质酸被水解，取而代之的是硫酸皮肤素，硫酸软骨素 等其它形式的氨基聚糖。 （二）抑制细胞分裂 胚胎时期至少有两种途径抑制细胞的分裂，一是下调刺激信号（如肽类生长因子）的水平， 二是抑制细胞周期引擎。在肌肉发生（myogenesis）过程中，属于 TGF-β 超家族的肌肉抑制素 （myostatin）是肌肉生长的负调控因子，自然界 myostatin 基因突变的动物会出现肌肉加倍的表 型（“double-muscled” phenotype），该基因剔除 的小鼠肌肉组织重量增加 2-3 倍。肌肉抑制素抑 制成肌细胞的增殖是通过上调细胞周期素依赖性蛋白激酶 CDK2 的抑制因子 p21 和下调 CDK2