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細胞生物學/細胞分化與醫學

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細胞分化 - 細胞分化的基本概念 - 細胞分化的分子基礎 - 細胞分化的影響因素 - 細胞分化與醫學
細胞分化是包括人類在內的多細胞生物個體發育的核心事件。細胞分化與發育異常將引起多種出生缺陷。許多疾病如腫瘤等與細胞分化密切相關。不僅如此,細胞分化的可塑性,即細胞分化狀態的轉變也與再生醫學關係密切。這裡以腫瘤和再生為例,簡述細胞分化的醫學意義。

細胞分化與腫瘤[編輯]

腫瘤細胞是異常分化的細胞[編輯]

腫瘤細胞和胚胎細胞具有許多相似的生物學特性,均呈現出未分化和低分化特點。腫瘤細胞除了具有其來源組織細胞的部分特性之外,主要表現出低分化、高增殖和高侵襲(即高遷移)的特徵。
1、腫瘤細胞的異常分化 腫瘤細胞具有某些其來源組織細胞的分化特點,但更多見的是缺少這種特點甚至完全缺如。高度惡性的腫瘤細胞,其形態結構特點為,細胞核大、核仁數目多,核膜和核仁輪廓清楚。電鏡下的超微結構特點是,細胞質呈低分化狀態,含有大量的游離核糖體和部分多聚核糖體;內膜系統、尤其是高爾基複合體不發達;微絲排列不夠規則;細胞表面微絨毛增多變細;細胞間連接減少。分化程度低或未分化的腫瘤細胞缺乏正常分化細胞的功能,如胰島細胞瘤可無胰島素合成,結腸腫瘤可不合成黏蛋白,肝癌細胞不合成血漿白蛋白等。
從細胞分化觀點分析腫瘤,認為分化障礙是腫瘤細胞的一個重要生物學特性,甚至有人認為腫瘤本身是一種分化疾病,是由於正常基因功能受控於錯誤的表達程序所致。包括人類在內的複雜的多細胞生物,需要胚胎細胞分化為各種具有特殊功能的細胞,並進一步組成各種組織和器官。分化是一個定向的,嚴密調節的程序控制過程,其關鍵在於基因按一定的時空順序有選擇地被激活或抑制。多數情況下,終末分化細胞不再具有增殖能力,而腫瘤細胞在不同程度上缺乏分化成熟細胞的形態和完整的功能,喪失某些終末分化細胞的性狀,並常對正常的分化調節機制缺乏反應。因此,有學者提出,惡性腫瘤是細胞分化和胚胎發育過程中的一種異常表現。這一見解對於理解腫瘤起源和本質特徵具有重要意義。
2、腫瘤細胞是喪失接觸性抑制的高遷移性「永生」細胞 一般情況下,體外培養的大部分正常細胞需要黏附於固定的表面進行生長(依賴錨泊),增殖的細胞達到一定密度,匯合成單層以後即停止分裂,此過程稱為接觸抑制或密度依賴性抑制(density-dependent inhibition)。而腫瘤細胞和轉化細胞則缺乏這種生長限制,甚至可在半固體瓊脂中呈懸浮生長,不需要依附於固定表面,不受密度限制,可持續分裂,達到很高密度而出現堆積生長,形成高出單層細胞的細胞灶。正常二倍體細胞的培養基中必須含有一定濃度的血清(5%以上)才能維持培養細胞分裂增殖。腫瘤細胞或轉化細胞的生長對生長因子或血清的依賴性降低,甚至在缺乏生長因子或低血清(2%)狀態下也可生長、分裂。人類正常細胞在體外培養傳代一般不能超過50次,而惡性腫瘤細胞則可以無限傳代成為「永生」的細胞系。在體內,腫瘤細胞不但增殖失控形成新的腫塊,而且侵襲破壞周圍正常組織,進入血管和淋巴管中,轉移到身體其他部位滋生繼發性的腫瘤,這些繼發性的腫瘤再侵襲和破壞植入部位的組織,致使腫瘤細胞在宿主體內廣泛散播。腫瘤細胞的這些特徵與胚胎細胞具有共性,比如胚胎細胞的高遷移特性。
腫瘤細胞的高轉移特性也反映出細胞分化狀態的轉變在腫瘤進展中的重要作用。人們現在認識到,腫瘤細胞在發生轉移之前,必須經過上皮-間質轉換(epithelial mesenchymal transition, EMT), 即上皮細胞向具有高侵襲(或遷移)力的間質細胞的轉變;同時,遷移到距離原發灶遠處組織中的間質性腫瘤細胞也必須經過間質-上皮轉換(MET), 才能形成轉移性或繼發性腫瘤。

細胞分化的研究進展促進了對腫瘤細胞起源的認識[編輯]

腫瘤細胞是從機體內正常細胞演變而來的,正常細胞轉變為惡性腫瘤的過程稱為癌變。絕大多數腫瘤呈單克隆生長的特性說明,腫瘤中的全部細胞都來源於同一個惡變細胞。根據生長動力學原理,腫瘤細胞群體大致可分為四種類型:①幹細胞,它是腫瘤細胞群體的起源,具有無限分裂增殖及自我更新能力,維持整個群體的更新和生長;②過渡細胞,它由幹細胞分化而來,具備有限分裂增殖能力,但喪失自我更新特徵;③終末細胞,它是分化成熟細胞,已徹底喪失分裂增殖能力;④G0期細胞,它是細胞群體中的後備細胞,有增殖潛能但不分裂,在一定條件下,可以更新進入增殖周期。其中腫瘤幹細胞在腫瘤發生、發展中起關鍵作用。
大量證據表明,腫瘤起源於一些未分化或微分化的幹細胞,是由於組織更新時所產生的分化異常所致。組織更新存在於高等生物發育的各個時期。在成年生物組織如骨髓等,存在著未分化幹細胞。幹細胞的增生和分化使衰老和受損的組織、細胞更新或恢復,這些正常幹細胞常是惡性變的靶細胞。腫瘤起源於未分化或微分化於細胞的直接證據來自小鼠的畸胎瘤(teratocarcinoma)實驗:將12天胚齡的小鼠胚胎生殖啃移植到同系成年小鼠睪丸被膜下,移植17天後,發現80%的睪丸有胚胎性癌細胞病灶,並且很快發展成典型畸胎瘤細胞。胚胎性癌細胞形態上非常類似原始生殖細胞,都具有未分化的細胞質;同時,將早期發育階段的胚胎包括受精卵移植至同系成年小鼠睪丸被膜下,也獲得畸胎瘤。受精卵、原始生殖細胞都處於相同的未分化狀態,因此,正常未分化生殖幹細胞是畸胎瘤的起源細胞。白血病的發生也遵循這一規律,它起源於未分化或微分化的幹細胞。這種認識可從白血病細胞免疫表型、免疫球蛋白和T 細胞受體基因分析及其與正常造血幹細胞發育、分化比較中找到依據。上皮細胞作為由幹細胞自我更新的組織和細胞類型更容易發生癌變。據統計,目前入類腫瘤的90%以上是上皮源性的,這是因為上皮包含有許多分裂中的幹細胞,易受到致癌因素的影響發生突變,轉化為癌細胞。
在正常組織更新過程中,致癌因素如放射線、化學致癌物等可作用於任何能合成DNA的正常幹細胞,而受累細胞所處的分化狀態可能決定了腫瘤細胞的惡性程度。一般認為,受累細胞分化程度越低所產生的腫瘤惡性程度越高;反之,若受累細胞分化程度越高,所產生腫瘤惡性程度越低,甚至只產生良性腫瘤。仍以小鼠畸胎瘤為例,若將El2.5~El3d的小鼠胚胎生殖帷作異位移植,可致畸胎瘤,而將E13.5d的生殖嵴作同樣的異位移植,則喪失致畸胎瘤的能力,說明分化程度不同的細胞會產生截然不同的結果。

腫瘤細胞可被誘導分化為成熟細胞[編輯]

基於惡性腫瘤細胞的本質是增殖分化失去控制、正常程序化的增殖分化機制喪失特點,迄今探索出誘導腫瘤細胞「改邪歸正」的兩種策略。
1、小分子誘導劑誘導腫瘤細胞向成熟細胞分化 腫瘤細胞可以在高濃度的分化信號誘導下,增殖減慢,分化加強,走向正常的終末分化。這種誘導分化信號分子被稱為分化誘導劑,它可以是體內的或人工合成的。分化誘導劑對腫瘤的這種促分化作用,稱為分化誘導作用。
20世紀70年代,人們開始發現腫瘤細胞的誘導分化現象,先後發現細胞膜的環磷酸腺苷(cAMP)衍生物,如環丁醯cAMP、8-溴cAMP可使神經母細胞瘤的某些表型逆轉,二甲亞硯(DMSO)在體外可使小鼠紅白血病細胞發生部分分化。繼而有入用微量注射法將小鼠睪丸畸胎瘤細胞注入小鼠囊胚,經培養後植入假孕的雌鼠子宮,結果生出「正常的小鼠"。這證明惡性腫瘤細胞在某些物質作用下可以改變其生物學性狀,使惡性增殖得到控制。但是,這些結果僅適用千實驗研究而無臨床應用價值。
20世紀80年代,T.R.Breitman利用原代細胞培養實驗,發現維生素A衍生物一維甲酸對人急性早幼粒細胞白血病具有誘導分化作用,並在兩例隊型病人中觀察到療效。Flynn使用13-順維甲酸治療病人取得成功。中國學者應用全反式維甲酸治療急性早幼粒細胞白血病在大樣本病例中獲得成功,證明全反式維甲酸可誘導白血病細胞沿著粒細胞系進行終末分化。後來的研究相繼證實,許多細胞因子、小劑量的化療藥物都具有誘導分化作用。
至20世紀90年代以來,隨著腫瘤外科手術治療、化療和放療取得的成就,腫瘤的誘導分化治療也從實驗室走向臨床。目前,誘導分化治療的研究與觀察巳涉及多種人類腫瘤,如結腸癌、胃癌、膀胱癌、肝癌等。但不同腫瘤細胞可有多種分化誘導劑,並有相對的專一性,其中研究及治療最深入的是全反式維甲酸和三氧化二碑對人急性早幼粒細胞白血病的誘導分化治療。全反式維甲酸和三氧化二砷聯合應用可以使90%的患者達到5年無病生存。雖然誘導分化治療僅在這單一病種上最為成功,但其意義重要。它揭示了一個腫瘤治療的方向,即通過誘導腫瘤細胞分化來實現腫瘤細胞的「改邪歸正",改變腫瘤細胞惡性生物學行為,達到治療的目的。
2、細胞重編程促使腫瘤細胞逆分化為「正常」細胞 目前人們對細胞重編的研究興趣已擴展到腫瘤研究領域。腫瘤細胞,經細胞重新編程後將會如何呢?新近來自肉瘤細胞的重編程研究表明,肉瘤細胞經重編程後,分化成了具有類似間充質幹細胞和類造血幹細胞,並最終能分化為成熟的結締組織和血紅細胞。全基因組DNA啟動子甲基化和基因表達譜分析顯示,比對人類癌細胞和重編程細胞,發現重編程會導致癌基因和抑癌因子發生大幅表觀遺傳修飾。這些數據表明重編程能恢復癌細胞向終末細胞分化的潛力,並且無需恢復到胚胎(千細胞)狀態。本領域研究將為解析腫瘤細胞癌變過程提供新途徑,也讓人們期盼細胞重編程能否成為癌症治療的一個新方向。應當指出的是:將腫瘤細胞重新編程回歸「正常」,雖如同電影中所描述的搭乘時間車回到了過去,但也要防止腫瘤細胞又搭乘時間車回到現狀(腫瘤復發)。

細胞分化與再生醫學[編輯]

一些發育成熟的成年動物個體有再生(regeneratoin)現象,表現為動物的整體或器官受外界因素作用發生創傷而部分丟失時,在剩餘部分的基礎上又生長出與丟失部分在形態結構和功能上相同的組織或器官的過程。機體在正常生理條件下由組織特異性成體幹細胞完成的組織或細胞的更新,如血細胞的更新、上皮細胞的脫落和置換等,雖然與再生相似,但性質上有所不同。不同動物的再生能力有顯著差異。一般來說,高等動物的再生能力低於低等動物,脊椎動物低於無脊椎動物,而哺乳動物的再生能力很低,僅限於肝臟等少數器官。為什麼低等動物有很好的再生能力,再生過程的機制是什麼?闡明這些問題有重要的醫學意義。

再生的本質是多潛能未分化細胞的再發育[編輯]

自然界動物的再生方式並不完全相同。概括起來,有三種方式:第一種,如水螅等低等動物,其再生是通過已存在組織的重組分化,即組織中的多潛能未分化細胞的再分化和部分細胞的轉分化,此現象稱為變形再生或形態重組再生(morphallaxis regeneration)。第二種方式是,組織器官內沒有幹細胞,在受傷時,受傷部位組織中的部分細胞通過去分化過程形成未分化的細胞團(原基細胞),再重新分化形成再生器官。這種形式的再生稱為微變態再生(epimorphosis regeneration) , 是兩棲類動物再生肢體的主要方式。第三種再生是一種中間形式,被認為是補償性再生(compensatory regeneration) , 表現為細胞分裂,產生與自己相似的細胞,保持它們的分化功能,如哺乳動物肝臟的再生。
人們在兩棲類有尾動物蠑螈(Salamander)的肢體再生上進行了較為深入的研究。在此以蠑螈肢體再生為例來說明再生的變化過程。
當一隻成體蠑螈的肢體被切除後,剩餘的細胞可以重建一隻完整的肢體。例如,當手腕被切除後,蠑螈會長出一隻新的手腕而不是新的肘。蛛姬的肢體「知道」遠-近端軸的何處受傷並且能夠從那個地方開始再生。蛛姬肢體的再生主要包括以下幾個過程:
1、頂端外胚層帽和去分化再生胚芽的形成 肢體切除後,在6~12小時之內,來自剩餘截面的表皮細胞遷移來覆蓋創面,形成創面表皮(wound epidermis)。這種單層細胞結構對於肢體的再生是必需的,它通過增殖而形成頂端外胚層帽(apical ectodermal cap)。因此,與哺乳動物的創面癒合相對比,它沒有瘢痕的形成,因為有表皮來覆蓋截面。在隨後的4天裡,頂端外胚層帽下面的細胞經歷了戲劇性的去分化:骨細胞、軟骨細胞、成纖維細胞、肌細胞和神經元失去了它們的分化特性,其中在分化組織中表達的基因,例如在肌細胞中表達的MRF4myf5 基因被下調,而與胚胎樣肢體的區域間充質增生過程有關的基因如msxl 的表達則明顯的升高了。由此在截面處的肢體組織區域形成了在頂端外胚層帽之下的不能辨別的去分化的細胞增殖團塊,稱為再生胚芽(regeneration blastema), 其中的細胞稱為胚芽細胞。
關於胚芽細胞,以往人們一直認為這是一組均一的多潛能未分化細胞,它能夠再分化形成再生組織中所有類型細胞。新近基於GFP技術的特定組織細胞標記分析結果顯示,胚芽細胞是一個不均一的各種類型前體細胞(progenitor cell)的「混合體」,每個前體細胞由殘留肢體中的成熟組織細胞去分化而來,它們仍保持著其來源組織的「記憶」。例如由肌組織來源的肌前體細胞在再生時僅形成肌組織,而不是其他類型細胞。這表明,蠑螈肢體再生並不要求成體細胞完全去分化成一種多能狀態。
2、胚芽細胞的增生和再分化 胚芽細胞在經過分裂增殖之後即開始再分化,肌細胞開始合成肌蛋白,軟骨細胞分泌軟骨基質,等等,直至形成與原來肢體相同的新結構。
3、再生胚芽的模式形成 再生胚芽在很多方面與肢體正常發育區域的肢芽相似。殘肢和再生組織之間的腹-背軸和前-後軸是一致的,細胞和分子水平的研究證實了肢體再生與正常發育的機制十分相似。通過把再生肢體胚芽移植到發育中的肢體芽上,證明了胚芽細胞可對肢體芽的信號產生反應並有助於肢體發育。正如信號分子Sonic hedgehog被發現存在於肢芽發育區域間充質的後區一樣,Sonic hedgehog也存在於早期再生胚芽的後部區域。
以上蠑螈肢體切除再生的研究表明,再生的本質是成體動物為修復缺失組織器官的發育再活化,是部分細胞進入去分化的自我重編程(self-reprogramming)過程。
儘管人類和其他哺乳動物沒有蠑螈如此的幸運,但只要還有足夠的指(趾)甲,就可以再生出指(趾)尖。最近紐約大學Mayu mi Ito領導的研究小組揭示了指尖再生的秘密:在指甲根處下存在一個幹細胞群,這些細胞可以協調修復部分切除的指頭。哺乳動物指尖再生的分子程序與兩棲類動物肢體的切除再生極為相似,指甲幹細胞作為一個「信號傳導中心」,利用了一種對於胚胎四肢發育至關重要的Wnt信號通路,在組織再生過程中幫助了神經、新指甲以及骨細胞協調信號傳導。當小鼠趾尖被截去後,剩餘趾甲下的上皮組織中的Wnt途徑被激活,並將神經吸引至此,通過FGF2蛋白,神經驅動間充質細胞的生長(間充質細胞可恢復骨、肌腮及肌肉組織),數周后,小鼠的趾尖恢復如初。不過,如果趾尖被截斷過多、趾甲上皮組織丟失過多或整個指甲被移除,則無法再生。

動物的再生策略給人類以重要啟示[編輯]

除肝臟之外,人類不會再生器官,至多在兒童期還可以再生指尖,但是至成人就喪失了這種能力。由於再生損傷組織在醫學上的重要性,許多生命科學工作者根據低等動物的再生機制,試圖找出激活曾經是人體器官形成的發育程序的方法。其中一種方法是尋找相對未分化的多潛能幹細胞;另外一種方法是尋找能夠允許這些細胞開始形成特定組織細胞的微環境。迄今在尋找未分化的多潛能幹細胞及「誘導」細胞具有多能性的方法上取得了新進展,例如人ES細胞的發現、iPS細胞的建立等。

細胞分化的可塑性研究顯示體細胞重編程的巨大可能性[編輯]

哺乳動物中不同組織來源的成體幹細胞具有橫向分化和跨胚層分化潛能的發現,特別是iPS細胞被建立以來,基於細胞重編程技術而獲取有治療意義細胞的研究成果層出不窮。應用細胞重編程技術,不僅能將體細胞轉變為多潛能未分化幹細胞和組織特異性幹細胞,而且還可繞開細胞重編程的幹細胞階段,將皮膚成纖維細胞(fibroblast)直接轉化為血細胞、心肌細胞及神經元等。
人們對細胞分化機制的不斷探索,包括體細胞核移植研究、細胞分化主控基因的發現和ES細胞研究,催生了細胞重編程技術的誕生。可以確信,隨著對細胞分化機制研究特別是對低等動物再生本質和細胞分化可塑性認識的不斷深入,真正實現按照人們的意願去再生細胞和組織器官,以達到徹底修復和替代病變器官的時代將會逐漸變為現實。