细胞的分化潜能

第二节　细胞的分化潜能

一、全能性的细胞

细胞的全能性(cell totipotency)是单个细胞在一定条件下增殖、分化发育成为完整个体的能力，具有这种能力的细胞称为全能性细胞(totipotent cell)。这种现象在植物和低等动物中较常见。如某些植物的单个体细胞，经过体外培养后，可分裂成许多细胞，生长成一个完整的植株。利用细胞全能性，可进行无性繁殖。

一个全能性的细胞，应该具有表达其基因组中任何一种基因的能力，亦能分化为该种生物体内任何一种类型的细胞。理论上，每个配备了完整基因组的细胞，包括体细胞和生殖细胞，都应该是全能性的。但实际不然，往往是体细胞表达基因的能力比性细胞要低得多。生殖细胞，尤其是卵细胞，尽管分化程度很高，仍然具有较大的潜在全能性，在某些条件下可进行孤雌生殖，由一个卵细胞分化成所有各种类型的细胞。两性生殖细胞的结合产物受精卵则表现出最高的全能性，任何一个生物体(无性繁殖后代除外)都由合子起源。由此，个体中的每一个形态和功能各异的细胞都是合子产生后代的分化产物。

二、胚胎细胞的分化潜能与决定

人和哺乳动物的胚胎发育经历大致相同的分化过程。受精后胚胎的早期发育主要包括卵裂(cleavage)、胚泡(blastocyst)形成和宫内植入(implantation)3个阶段。随着分裂和分化的不断进行，卵裂球细胞数目越来越多，细胞之间的分化差异也越来越大。

在绝大多数情况下，受精卵通过细胞分裂直到形成囊胚之前，细胞的分化方向尚未决定。从原肠胚细胞排列成三胚层后，各胚层在分化潜能上开始出现一定的局限性，倾向于只发育为本胚层的组织器官，如外胚层(ectoderm)发育成神经、表皮等;中胚层(mesoderm)发育为肌、骨等;内胚层(endoderm)发育成消化道及肺的上皮等。内、中、外3个胚层的分化潜能虽然进一步被局限，但仍具有发育成多种表型的能力，这时的细胞称为多能细胞(pluripotent cell)。经过器官发生，各种组织、细胞的发育命运最终决定在形态上特化，功能上专一化。胚胎发育过程中逐渐由全能局限为多能，最后成为稳定型单能(unipotency)的趋向，是细胞分化的普遍规律。因此，细胞分化可以视为分化潜能逐渐限制的过程。

三、体细胞的分化潜能

虽然目前还无法使已分化的高等动物细胞直接再生成完整的个体，但是，许多研究表明高等动物已分化的细胞仍然保持着全套的基因组，并在一定特殊条件下可表现出全能性──细胞核全能性。1964年，Gurdon成功地将非洲爪蟾的肠上皮细胞核移入去核的爪蟾卵细胞中，发育得到了蝌蚪，说明分化成熟的体细胞核完整地保存着卵和精子细胞核的全部遗传信息，而卵细胞质则可能对细胞的决定和分化起着关键性的作用。到了1996年7月，苏格兰Roslin研究所的科学家Wilmut等利用体细胞克隆技术将取自羊乳腺细胞的细胞核植入另一羊去核的卵细胞中，培育出了世界上第1只克隆动物──“多莉(Dolly)”羊(图10-1)。

图10-1　世界上第1只克隆动物──“多莉(Dolly)”羊的产生

Dolly没有父亲，却有3个“生母”。科学家从一只母羊(Scottish Blackface)体内取出一个未受精的卵细胞，在体外用极细的玻璃针管先将卵细胞中的细胞核吸出，使之成为无核卵细胞。然后，将无核卵母细胞与取自另一只泌乳量高、品质良好的母羊(Finn Dorset)的乳腺细胞的细胞核进行融合，形成一个含有新遗传物质的卵细胞。经电流刺激，让卵细胞误认为它已经受精了，开始启动生命机制，分裂发育成胚胎。当胚胎生长到一定程度时再将它植入第3只“代孕母亲”的黑脸母羊(Scottish Blackface)子宫中，由它孕育并产下克隆羊Dolly。Dolly酷像提供乳腺细胞核的Finn Dorset母羊，这是容易理解的。因为从遗传的角度来说，提供乳腺细胞核的母羊才是Dolly的母亲。有趣的是，Dolly只把生育它的那只黑脸母羊当作自己的生母。

由于移植的细胞核来自高度分化的乳腺细胞(体细胞)，因而引起了全世界的广泛关注。过去认为，高等动物成熟个体的细胞已经高度分化，绝不可能再像最初的胚胎细胞那样进行分化。Dolly的诞生犹如一颗威力巨大的核弹头，将生命科学界长期以来坚信不疑的“金科玉律”击得粉碎。它揭示了体细胞在去核卵细胞细胞质中能重新启动编程，从此宣告人类已经进入高等动物体细胞可以进行无性繁殖(克隆)的新时代，被认为是20世纪生命科学研究的一项重大突破。细胞分化究竟在染色体水平造成了什么变化?如果有变化，是否真正不可逆?卵细胞质对移入的外来细胞核究竟起了什么作用，如何起作用?分化的细胞核又是如何接受卵细胞质的影响，调整基因的表达顺序?上述体细胞克隆技术能否用于“克隆人”和医疗?由此引起的社会后果将会怎样?这些问题已经成为现今发育生物学的研究和争论的热点。