跳转到内容

细胞生物学/细胞分化与医学

维基教科书,自由的教学读本

细胞分化 - 细胞分化的基本概念 - 细胞分化的分子基础 - 细胞分化的影响因素 - 细胞分化与医学
细胞分化是包括人类在内的多细胞生物个体发育的核心事件。细胞分化与发育异常将引起多种出生缺陷。许多疾病如肿瘤等与细胞分化密切相关。不仅如此,细胞分化的可塑性,即细胞分化状态的转变也与再生医学关系密切。这里以肿瘤和再生为例,简述细胞分化的医学意义。

细胞分化与肿瘤[编辑]

肿瘤细胞是异常分化的细胞[编辑]

肿瘤细胞和胚胎细胞具有许多相似的生物学特性,均呈现出未分化和低分化特点。肿瘤细胞除了具有其来源组织细胞的部分特性之外,主要表现出低分化、高增殖和高侵袭(即高迁移)的特征。
1、肿瘤细胞的异常分化 肿瘤细胞具有某些其来源组织细胞的分化特点,但更多见的是缺少这种特点甚至完全缺如。高度恶性的肿瘤细胞,其形态结构特点为,细胞核大、核仁数目多,核膜和核仁轮廓清楚。电镜下的超微结构特点是,细胞质呈低分化状态,含有大量的游离核糖体和部分多聚核糖体;内膜系统、尤其是高尔基复合体不发达;微丝排列不够规则;细胞表面微绒毛增多变细;细胞间连接减少。分化程度低或未分化的肿瘤细胞缺乏正常分化细胞的功能,如胰岛细胞瘤可无胰岛素合成,结肠肿瘤可不合成黏蛋白,肝癌细胞不合成血浆白蛋白等。
从细胞分化观点分析肿瘤,认为分化障碍是肿瘤细胞的一个重要生物学特性,甚至有人认为肿瘤本身是一种分化疾病,是由于正常基因功能受控于错误的表达程序所致。包括人类在内的复杂的多细胞生物,需要胚胎细胞分化为各种具有特殊功能的细胞,并进一步组成各种组织和器官。分化是一个定向的,严密调节的程序控制过程,其关键在于基因按一定的时空顺序有选择地被激活或抑制。多数情况下,终末分化细胞不再具有增殖能力,而肿瘤细胞在不同程度上缺乏分化成熟细胞的形态和完整的功能,丧失某些终末分化细胞的性状,并常对正常的分化调节机制缺乏反应。因此,有学者提出,恶性肿瘤是细胞分化和胚胎发育过程中的一种异常表现。这一见解对于理解肿瘤起源和本质特征具有重要意义。
2、肿瘤细胞是丧失接触性抑制的高迁移性“永生”细胞 一般情况下,体外培养的大部分正常细胞需要黏附于固定的表面进行生长(依赖锚泊),增殖的细胞达到一定密度,汇合成单层以后即停止分裂,此过程称为接触抑制或密度依赖性抑制(density-dependent inhibition)。而肿瘤细胞和转化细胞则缺乏这种生长限制,甚至可在半固体琼脂中呈悬浮生长,不需要依附于固定表面,不受密度限制,可持续分裂,达到很高密度而出现堆积生长,形成高出单层细胞的细胞灶。正常二倍体细胞的培养基中必须含有一定浓度的血清(5%以上)才能维持培养细胞分裂增殖。肿瘤细胞或转化细胞的生长对生长因子或血清的依赖性降低,甚至在缺乏生长因子或低血清(2%)状态下也可生长、分裂。人类正常细胞在体外培养传代一般不能超过50次,而恶性肿瘤细胞则可以无限传代成为“永生”的细胞系。在体内,肿瘤细胞不但增殖失控形成新的肿块,而且侵袭破坏周围正常组织,进入血管和淋巴管中,转移到身体其他部位滋生继发性的肿瘤,这些继发性的肿瘤再侵袭和破坏植入部位的组织,致使肿瘤细胞在宿主体内广泛散播。肿瘤细胞的这些特征与胚胎细胞具有共性,比如胚胎细胞的高迁移特性。
肿瘤细胞的高转移特性也反映出细胞分化状态的转变在肿瘤进展中的重要作用。人们现在认识到,肿瘤细胞在发生转移之前,必须经过上皮-间质转换(epithelial mesenchymal transition, EMT), 即上皮细胞向具有高侵袭(或迁移)力的间质细胞的转变;同时,迁移到距离原发灶远处组织中的间质性肿瘤细胞也必须经过间质-上皮转换(MET), 才能形成转移性或继发性肿瘤。

细胞分化的研究进展促进了对肿瘤细胞起源的认识[编辑]

肿瘤细胞是从机体内正常细胞演变而来的,正常细胞转变为恶性肿瘤的过程称为癌变。绝大多数肿瘤呈单克隆生长的特性说明,肿瘤中的全部细胞都来源于同一个恶变细胞。根据生长动力学原理,肿瘤细胞群体大致可分为四种类型:①干细胞,它是肿瘤细胞群体的起源,具有无限分裂增殖及自我更新能力,维持整个群体的更新和生长;②过渡细胞,它由干细胞分化而来,具备有限分裂增殖能力,但丧失自我更新特征;③终末细胞,它是分化成熟细胞,已彻底丧失分裂增殖能力;④G0期细胞,它是细胞群体中的后备细胞,有增殖潜能但不分裂,在一定条件下,可以更新进入增殖周期。其中肿瘤干细胞在肿瘤发生、发展中起关键作用。
大量证据表明,肿瘤起源于一些未分化或微分化的干细胞,是由于组织更新时所产生的分化异常所致。组织更新存在于高等生物发育的各个时期。在成年生物组织如骨髓等,存在着未分化干细胞。干细胞的增生和分化使衰老和受损的组织、细胞更新或恢复,这些正常干细胞常是恶性变的靶细胞。肿瘤起源于未分化或微分化于细胞的直接证据来自小鼠的畸胎瘤(teratocarcinoma)实验:将12天胚龄的小鼠胚胎生殖啃移植到同系成年小鼠睾丸被膜下,移植17天后,发现80%的睾丸有胚胎性癌细胞病灶,并且很快发展成典型畸胎瘤细胞。胚胎性癌细胞形态上非常类似原始生殖细胞,都具有未分化的细胞质;同时,将早期发育阶段的胚胎包括受精卵移植至同系成年小鼠睾丸被膜下,也获得畸胎瘤。受精卵、原始生殖细胞都处于相同的未分化状态,因此,正常未分化生殖干细胞是畸胎瘤的起源细胞。白血病的发生也遵循这一规律,它起源于未分化或微分化的干细胞。这种认识可从白血病细胞免疫表型、免疫球蛋白和T 细胞受体基因分析及其与正常造血干细胞发育、分化比较中找到依据。上皮细胞作为由干细胞自我更新的组织和细胞类型更容易发生癌变。据统计,目前入类肿瘤的90%以上是上皮源性的,这是因为上皮包含有许多分裂中的干细胞,易受到致癌因素的影响发生突变,转化为癌细胞。
在正常组织更新过程中,致癌因素如放射线、化学致癌物等可作用于任何能合成DNA的正常干细胞,而受累细胞所处的分化状态可能决定了肿瘤细胞的恶性程度。一般认为,受累细胞分化程度越低所产生的肿瘤恶性程度越高;反之,若受累细胞分化程度越高,所产生肿瘤恶性程度越低,甚至只产生良性肿瘤。仍以小鼠畸胎瘤为例,若将El2.5~El3d的小鼠胚胎生殖帷作异位移植,可致畸胎瘤,而将E13.5d的生殖嵴作同样的异位移植,则丧失致畸胎瘤的能力,说明分化程度不同的细胞会产生截然不同的结果。

肿瘤细胞可被诱导分化为成熟细胞[编辑]

基于恶性肿瘤细胞的本质是增殖分化失去控制、正常程序化的增殖分化机制丧失特点,迄今探索出诱导肿瘤细胞“改邪归正”的两种策略。
1、小分子诱导剂诱导肿瘤细胞向成熟细胞分化 肿瘤细胞可以在高浓度的分化信号诱导下,增殖减慢,分化加强,走向正常的终末分化。这种诱导分化信号分子被称为分化诱导剂,它可以是体内的或人工合成的。分化诱导剂对肿瘤的这种促分化作用,称为分化诱导作用。
20世纪70年代,人们开始发现肿瘤细胞的诱导分化现象,先后发现细胞膜的环磷酸腺苷(cAMP)衍生物,如环丁酰cAMP、8-溴cAMP可使神经母细胞瘤的某些表型逆转,二甲亚砚(DMSO)在体外可使小鼠红白血病细胞发生部分分化。继而有入用微量注射法将小鼠睾丸畸胎瘤细胞注入小鼠囊胚,经培养后植入假孕的雌鼠子宫,结果生出“正常的小鼠"。这证明恶性肿瘤细胞在某些物质作用下可以改变其生物学性状,使恶性增殖得到控制。但是,这些结果仅适用千实验研究而无临床应用价值。
20世纪80年代,T.R.Breitman利用原代细胞培养实验,发现维生素A衍生物一维甲酸对人急性早幼粒细胞白血病具有诱导分化作用,并在两例队型病人中观察到疗效。Flynn使用13-顺维甲酸治疗病人取得成功。中国学者应用全反式维甲酸治疗急性早幼粒细胞白血病在大样本病例中获得成功,证明全反式维甲酸可诱导白血病细胞沿着粒细胞系进行终末分化。后来的研究相继证实,许多细胞因子、小剂量的化疗药物都具有诱导分化作用。
至20世纪90年代以来,随着肿瘤外科手术治疗、化疗和放疗取得的成就,肿瘤的诱导分化治疗也从实验室走向临床。目前,诱导分化治疗的研究与观察巳涉及多种人类肿瘤,如结肠癌、胃癌、膀胱癌、肝癌等。但不同肿瘤细胞可有多种分化诱导剂,并有相对的专一性,其中研究及治疗最深入的是全反式维甲酸和三氧化二碑对人急性早幼粒细胞白血病的诱导分化治疗。全反式维甲酸和三氧化二砷联合应用可以使90%的患者达到5年无病生存。虽然诱导分化治疗仅在这单一病种上最为成功,但其意义重要。它揭示了一个肿瘤治疗的方向,即通过诱导肿瘤细胞分化来实现肿瘤细胞的“改邪归正",改变肿瘤细胞恶性生物学行为,达到治疗的目的。
2、细胞重编程促使肿瘤细胞逆分化为“正常”细胞 目前人们对细胞重编的研究兴趣已扩展到肿瘤研究领域。肿瘤细胞,经细胞重新编程后将会如何呢?新近来自肉瘤细胞的重编程研究表明,肉瘤细胞经重编程后,分化成了具有类似间充质干细胞和类造血干细胞,并最终能分化为成熟的结缔组织和血红细胞。全基因组DNA启动子甲基化和基因表达谱分析显示,比对人类癌细胞和重编程细胞,发现重编程会导致癌基因和抑癌因子发生大幅表观遗传修饰。这些数据表明重编程能恢复癌细胞向终末细胞分化的潜力,并且无需恢复到胚胎(千细胞)状态。本领域研究将为解析肿瘤细胞癌变过程提供新途径,也让人们期盼细胞重编程能否成为癌症治疗的一个新方向。应当指出的是:将肿瘤细胞重新编程回归“正常”,虽如同电影中所描述的搭乘时间车回到了过去,但也要防止肿瘤细胞又搭乘时间车回到现状(肿瘤复发)。

细胞分化与再生医学[编辑]

一些发育成熟的成年动物个体有再生(regeneratoin)现象,表现为动物的整体或器官受外界因素作用发生创伤而部分丢失时,在剩余部分的基础上又生长出与丢失部分在形态结构和功能上相同的组织或器官的过程。机体在正常生理条件下由组织特异性成体干细胞完成的组织或细胞的更新,如血细胞的更新、上皮细胞的脱落和置换等,虽然与再生相似,但性质上有所不同。不同动物的再生能力有显著差异。一般来说,高等动物的再生能力低于低等动物,脊椎动物低于无脊椎动物,而哺乳动物的再生能力很低,仅限于肝脏等少数器官。为什么低等动物有很好的再生能力,再生过程的机制是什么?阐明这些问题有重要的医学意义。

再生的本质是多潜能未分化细胞的再发育[编辑]

自然界动物的再生方式并不完全相同。概括起来,有三种方式:第一种,如水螅等低等动物,其再生是通过已存在组织的重组分化,即组织中的多潜能未分化细胞的再分化和部分细胞的转分化,此现象称为变形再生或形态重组再生(morphallaxis regeneration)。第二种方式是,组织器官内没有干细胞,在受伤时,受伤部位组织中的部分细胞通过去分化过程形成未分化的细胞团(原基细胞),再重新分化形成再生器官。这种形式的再生称为微变态再生(epimorphosis regeneration) , 是两栖类动物再生肢体的主要方式。第三种再生是一种中间形式,被认为是补偿性再生(compensatory regeneration) , 表现为细胞分裂,产生与自己相似的细胞,保持它们的分化功能,如哺乳动物肝脏的再生。
人们在两栖类有尾动物蝾螈(Salamander)的肢体再生上进行了较为深入的研究。在此以蝾螈肢体再生为例来说明再生的变化过程。
当一只成体蝾螈的肢体被切除后,剩余的细胞可以重建一只完整的肢体。例如,当手腕被切除后,蝾螈会长出一只新的手腕而不是新的肘。蛛姬的肢体“知道”远-近端轴的何处受伤并且能够从那个地方开始再生。蛛姬肢体的再生主要包括以下几个过程:
1、顶端外胚层帽和去分化再生胚芽的形成 肢体切除后,在6~12小时之内,来自剩余截面的表皮细胞迁移来覆盖创面,形成创面表皮(wound epidermis)。这种单层细胞结构对于肢体的再生是必需的,它通过增殖而形成顶端外胚层帽(apical ectodermal cap)。因此,与哺乳动物的创面愈合相对比,它没有瘢痕的形成,因为有表皮来覆盖截面。在随后的4天里,顶端外胚层帽下面的细胞经历了戏剧性的去分化:骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞、肌细胞和神经元失去了它们的分化特性,其中在分化组织中表达的基因,例如在肌细胞中表达的MRF4myf5 基因被下调,而与胚胎样肢体的区域间充质增生过程有关的基因如msxl 的表达则明显的升高了。由此在截面处的肢体组织区域形成了在顶端外胚层帽之下的不能辨别的去分化的细胞增殖团块,称为再生胚芽(regeneration blastema), 其中的细胞称为胚芽细胞。
关于胚芽细胞,以往人们一直认为这是一组均一的多潜能未分化细胞,它能够再分化形成再生组织中所有类型细胞。新近基于GFP技术的特定组织细胞标记分析结果显示,胚芽细胞是一个不均一的各种类型前体细胞(progenitor cell)的“混合体”,每个前体细胞由残留肢体中的成熟组织细胞去分化而来,它们仍保持着其来源组织的“记忆”。例如由肌组织来源的肌前体细胞在再生时仅形成肌组织,而不是其他类型细胞。这表明,蝾螈肢体再生并不要求成体细胞完全去分化成一种多能状态。
2、胚芽细胞的增生和再分化 胚芽细胞在经过分裂增殖之后即开始再分化,肌细胞开始合成肌蛋白,软骨细胞分泌软骨基质,等等,直至形成与原来肢体相同的新结构。
3、再生胚芽的模式形成 再生胚芽在很多方面与肢体正常发育区域的肢芽相似。残肢和再生组织之间的腹-背轴和前-后轴是一致的,细胞和分子水平的研究证实了肢体再生与正常发育的机制十分相似。通过把再生肢体胚芽移植到发育中的肢体芽上,证明了胚芽细胞可对肢体芽的信号产生反应并有助于肢体发育。正如信号分子Sonic hedgehog被发现存在于肢芽发育区域间充质的后区一样,Sonic hedgehog也存在于早期再生胚芽的后部区域。
以上蝾螈肢体切除再生的研究表明,再生的本质是成体动物为修复缺失组织器官的发育再活化,是部分细胞进入去分化的自我重编程(self-reprogramming)过程。
尽管人类和其他哺乳动物没有蝾螈如此的幸运,但只要还有足够的指(趾)甲,就可以再生出指(趾)尖。最近纽约大学Mayu mi Ito领导的研究小组揭示了指尖再生的秘密:在指甲根处下存在一个干细胞群,这些细胞可以协调修复部分切除的指头。哺乳动物指尖再生的分子程序与两栖类动物肢体的切除再生极为相似,指甲干细胞作为一个“信号传导中心”,利用了一种对于胚胎四肢发育至关重要的Wnt信号通路,在组织再生过程中帮助了神经、新指甲以及骨细胞协调信号传导。当小鼠趾尖被截去后,剩余趾甲下的上皮组织中的Wnt途径被激活,并将神经吸引至此,通过FGF2蛋白,神经驱动间充质细胞的生长(间充质细胞可恢复骨、肌腮及肌肉组织),数周后,小鼠的趾尖恢复如初。不过,如果趾尖被截断过多、趾甲上皮组织丢失过多或整个指甲被移除,则无法再生。

动物的再生策略给人类以重要启示[编辑]

除肝脏之外,人类不会再生器官,至多在儿童期还可以再生指尖,但是至成人就丧失了这种能力。由于再生损伤组织在医学上的重要性,许多生命科学工作者根据低等动物的再生机制,试图找出激活曾经是人体器官形成的发育程序的方法。其中一种方法是寻找相对未分化的多潜能干细胞;另外一种方法是寻找能够允许这些细胞开始形成特定组织细胞的微环境。迄今在寻找未分化的多潜能干细胞及“诱导”细胞具有多能性的方法上取得了新进展,例如人ES细胞的发现、iPS细胞的建立等。

细胞分化的可塑性研究显示体细胞重编程的巨大可能性[编辑]

哺乳动物中不同组织来源的成体干细胞具有横向分化和跨胚层分化潜能的发现,特别是iPS细胞被建立以来,基于细胞重编程技术而获取有治疗意义细胞的研究成果层出不穷。应用细胞重编程技术,不仅能将体细胞转变为多潜能未分化干细胞和组织特异性干细胞,而且还可绕开细胞重编程的干细胞阶段,将皮肤成纤维细胞(fibroblast)直接转化为血细胞、心肌细胞及神经元等。
人们对细胞分化机制的不断探索,包括体细胞核移植研究、细胞分化主控基因的发现和ES细胞研究,催生了细胞重编程技术的诞生。可以确信,随着对细胞分化机制研究特别是对低等动物再生本质和细胞分化可塑性认识的不断深入,真正实现按照人们的意愿去再生细胞和组织器官,以达到彻底修复和替代病变器官的时代将会逐渐变为现实。