细胞分化与衰老

第三节　细胞分化与衰老

一、细胞分化

多细胞有机体在个体发育过程中，由相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和生理功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程称为细胞分化。

细胞分化是动、植物发育的基础，大量地出现在成年阶段以前的发育过程中，但是一部分细胞的分化持续于整个生物体一生。例如，哺乳类的骨髓中，终生都在发生血细胞的分化成熟。

受精卵具有发育成完整个体的全能性。一般来说，随着细胞分化程度的不断提高，细胞发育潜能逐渐变窄。在植物细胞方面，高度分化的植物细胞仍具有全能性。1937年，美国科学家怀特成功地配制出植物细胞的培养基，它能使胡萝卜的一小段根分裂并形成愈伤组织。1958年，美国科学家斯蒂伍德把胡萝卜根的细胞分开放在培养基上培养，长出了一株株的小胡萝卜。利用植物组织或细胞培养新的植物体的技术称为植物组织培养技术。

二、干细胞

在一般情况下，特别是对高等动物而言，随着胚胎发育，细胞逐渐丧失了发育成为个体的能力，仅具有分化成有限的细胞类型和构建组织的潜能，这种潜能称为多潜能性。具有多潜能性的细胞称为干细胞。一般来说，根据细胞分化的发育潜能，可以将干细胞分为三种类型。

（1）全能性干细胞：受精卵具有使后代细胞分化出各种组织细胞并建成完整个体的潜能，这种情况称为全能性。具有全能性的细胞称为全能性干细胞。

（2）多能性干细胞：有的细胞具有使后代细胞分化出各种组织细胞的潜能，但已不能建成完整的个体，这样的情况称为多能性，具有多能性的细胞称为多能性干细胞，如多能性造血干细胞、胚胎干细胞、生殖嵴干细胞。

（3）单能性干细胞：有的细胞具有更窄的发育潜能，仅具有分化成一种细胞的潜能，这样的细胞称为单能性干细胞，如单能性造血干细胞。

干细胞经过培养后分化形成的特异细胞可以用于组织和器官的修复再生。

三、细胞衰老与凋亡

（一）细胞衰老

细胞也同生物体一样，有一定的寿命，在生命后期活力自然减退直至最后丧失的不可逆过程，即为细胞衰老。在生物体内，大多数细胞都要经历未分化、分化、衰老到死亡的历程。因此，细胞总体的衰老反映了机体的衰老，而机体的衰老是以总体细胞的衰老为基础的。生物体内的细胞不断地衰老与死亡，同时又有细胞的增殖与新生进行补充。这不仅发生在胚胎发育过程中，在成体内的各组织器官中也有细胞的死亡。所以，细胞的衰老和死亡是正常的发育过程，也是生物体发育的必然结果。

衰老细胞在结构和功能上会发生一系列的变化，如核膜内折、染色质固缩、线粒体和内质网均有减少的趋势，膜流动性降低，初级溶酶体增多等。目前，对细胞衰老机制有多种解释，概括起来主要有两个方面。

1．端粒与细胞衰老

端粒是线性染色体末端的一种特殊结构，由特定的DNA序列和蛋白质组成。端粒DNA是由一种特殊的酶——端粒酶合成的。当DNA复制时，由于DNA聚合酶只能由5′→3′方向进行复制，且必须要RNA引物，这样DNA每复制一次，则其5′端的端粒便会缩短一截，从而提出关于细胞衰老的“有丝分裂钟”假说，很多实验支持这一假说。但是另一些实验表明，端粒的缩短虽然可导致细胞衰老，但细胞衰老不仅仅是端粒缩短的结果。

2．氧化性损伤与细胞衰老

在细胞利用氧分子，获得能量的同时，也有2%～3%的氧分子转化成过氧化氢（H2O₂）和羟自由基（·OH）。这些活性氧自由基对细胞中的DNA、RNA和蛋白质等均会造成较大的损伤。虽然细胞内存在抗氧化的防御机制，但不可能在任何生理状态下都能完全有效地清除活性氧自由基的损伤。氧化损伤的积累造成细胞乃至机体的衰老。活性氧自由基主要在线粒体产生。实验表明，限制能量的摄入可降低线粒体中过氧化氢和超氧阴离子产生的速率，明显延长小鼠和大鼠的寿命。

（二）细胞凋亡

细胞凋亡是指多细胞生物体内的某些细胞按一定程序自我毁灭并将细胞裂解成许多用膜包被的小碎片的主动死亡过程。细胞凋亡又常称为程序性细胞死亡，二者虽有一定的差别，但常常互用。

细胞凋亡过程中会发生一系列的形态学变化：细胞体积缩小，原生质凝缩；内质网变疏松并与细胞膜融合；核糖体、线粒体等细胞器聚集；细胞核固缩，染色质凝聚。此后，胞膜不断出芽、脱落，细胞变成若干个大小不等的由膜包裹的凋亡小体。最终，凋亡小体被巨噬细胞、上皮细胞等吞噬而从组织中清除。在细胞凋亡的过程中，细胞内容物一直为质膜包被而不会释放出来，因此不会引起周围组织细胞的损害。

细胞死亡的另一种形式是细胞坏死，即细胞受到急性强力伤害时立即出现的早期反应。细胞坏死与凋亡有着本质的区别，坏死细胞的早期变化是细胞和线粒体肿胀，继而细胞膜发生裂解、渗漏，使内容物（多为蛋白水解酶）释放到胞外，导致周围组织的炎症反应，并在愈合过程中常伴随组织器官的纤维化形成瘢痕。

细胞凋亡对生物的正常发育和生存都是至关重要的。例如，小蝌蚪长成青蛙时，其尾巴会逐渐消失，原来构成尾巴的细胞都会凋亡，其中的物质转移到身体的其他细胞中。生物体受到创伤时，一些遭受重创、不可能再修复的细胞也能干净利落地迅速凋亡，随后由健康细胞加速分裂产生的新细胞所取代。人体的免疫系统在病菌入侵时，会产生大量淋巴细胞吞噬病菌。而一旦病菌被消灭，继续存在大量淋巴细胞则可能对人体的正常细胞造成危害，因此，过剩的淋巴细胞需要以细胞凋亡的形式迅速消失。

细胞凋亡具有复杂的调控机制，凋亡过程的紊乱会导致严重后果。据研究，细胞凋亡过少可能与白血病等免疫系统疾病和癌细胞的异常增殖有关，而细胞凋亡过多又可能与中风患者和老年性痴呆患者的脑组织损伤有关。深入研究细胞凋亡机制，有可能找到针对上述严重疾病的新的治疗手段和新药物，具有极大的潜在应用价值。因此，近年来细胞凋亡已成为现代生物学最热门的研究领域之一。