細(xì)胞分化（cell differentiation）是指同一來源的細(xì)胞逐漸產(chǎn)生出形態(tài)結(jié)構(gòu)、功能特征各不相同的細(xì)胞類群的過程，其結(jié)果是在空間上細(xì)胞產(chǎn)生差異，在時(shí)間上同一細(xì)胞與其從前的狀態(tài)有所不同。細(xì)胞分化的本質(zhì)是基因組在時(shí)間和空間上的選擇性表達(dá)，通過不同基因表達(dá)的開啟或關(guān)閉，最終產(chǎn)生標(biāo)志性蛋白質(zhì)。一般情況下，細(xì)胞分化過程是不可逆的。然而，在某些條件下，分化了的細(xì)胞也不穩(wěn)定，其基因表達(dá)模式也可以發(fā)生可逆性變化，又回到其未分化狀態(tài)，這一過程稱為去分化（dedifferentiation）。
基本概述
可以說，細(xì)胞分化是同一來源的細(xì)胞逐漸發(fā)生各自特有的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能和生化特征的過程。其結(jié)果是在空間上細(xì)胞之間出現(xiàn)差異，在時(shí)間上同一細(xì)胞和它以前的狀態(tài)有所不同。細(xì)胞分化是從化學(xué)分化到形態(tài)、功能分化的過程。從分子水平看，細(xì)胞分化意味著各種細(xì)胞內(nèi)合成了不同的專一蛋白質(zhì)（如水晶體細(xì)胞合成晶體蛋白，紅細(xì)胞合成血色素，肌細(xì)胞合成肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白等），而專一蛋白質(zhì)的合成是通過細(xì)胞內(nèi)一定基因在一定的時(shí)期的選擇性表達(dá)實(shí)現(xiàn)的。因此，基因調(diào)控是細(xì)胞分化的核心問題。
基本特點(diǎn)
正常情況下，細(xì)胞分化是穩(wěn)定、不可逆的。一旦細(xì)胞受到某種刺激發(fā)生變化，開始向某一方向分化后，即使引起變化的刺激不再存在，分化仍能進(jìn)行，并可通過細(xì)胞分裂不斷繼續(xù)下去。胚胎細(xì)胞在顯示特有的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能和生化特征之前，需要經(jīng)歷一個(gè)稱作決定的階段。在這一階段中，細(xì)胞雖然還沒有顯示出特定的形態(tài)特征，但是內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生了向這一方向分化的特定變化。細(xì)胞決定的早晚，因動(dòng)物及組織的不同而有差異，但一般情況下都是漸進(jìn)的過程。例如，在兩棲動(dòng)物，把神經(jīng)胚早期的體節(jié)從正常部位移植到同一胚胎的腹部還可改變分化的方向，不形成肌肉而形成腎管及紅細(xì)胞等。但是到神經(jīng)胚晚期移植體節(jié)，就不能改變體節(jié)分化的方向。可見，這時(shí)期體節(jié)的分化已穩(wěn)定地決定了。
細(xì)胞核
在細(xì)胞分化中，細(xì)胞核起決定作用。一般認(rèn)為細(xì)胞核內(nèi)含有該種生物的全套遺傳信息。在條件具備時(shí)，它可使所在細(xì)胞發(fā)育分化為由各種類型細(xì)胞所組成的完整個(gè)體。從培養(yǎng)的煙草，髓部小塊形成的組織團(tuán)塊上取脫落的細(xì)胞，單個(gè)分離培養(yǎng)能得到有根和葉的幼芽，再移植到土壤中，會(huì)長出開花的植物。在兩棲綱，把囊胚期和早期原腸胚的細(xì)胞核移植到事先已經(jīng)去掉細(xì)胞核的卵內(nèi)能使卵正常發(fā)育，說明動(dòng)植物體細(xì)胞的核是全能的。
細(xì)胞質(zhì)
分化與細(xì)胞質(zhì)之間的關(guān)系可以從卵質(zhì)談起。如馬副蛔蟲病受精卵后，所有經(jīng)過染色體消減的細(xì)胞都發(fā)育為體細(xì)胞（見生殖質(zhì)）。許多動(dòng)物卵子細(xì)胞質(zhì)的分布有明顯的區(qū)域性。這種區(qū)域性雖然不影響染色體的行為，但對(duì)于以后胚胎器官發(fā)育卻有決定性作用。中國胚胎學(xué)家童第周等利用核移植的技術(shù)，也證實(shí)了卵質(zhì)在性狀發(fā)生中的作用。他們把金魚囊胚期細(xì)胞核移到去核的鲏魚卵子中；雖然發(fā)育到幼魚的例子極少，但是發(fā)育的過程都比較正常，一些基本的發(fā)育的特點(diǎn)，如胚胎的背腹性，對(duì)稱性以及早期的卵裂進(jìn)程等都和鳑鲏魚一樣，幼魚的體形也和鳑鲏魚的幼魚沒有區(qū)別。這些性狀的出現(xiàn)似乎完全根據(jù)細(xì)胞質(zhì)。細(xì)胞質(zhì)對(duì)細(xì)胞核的作用，還表現(xiàn)在對(duì)核功能活動(dòng)的影響。如培養(yǎng)的人宮頸上皮癌細(xì)胞——HeLa細(xì)胞——的脫氧核糖核酸和核糖核酸合成都很活躍；雞的紅細(xì)胞雖然有核，但是處于不活躍狀態(tài)，不進(jìn)行DNA合成，RNA合成也很微弱。用細(xì)胞融合的方法，使去掉細(xì)胞核的HeLa細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)和雞的紅細(xì)胞融合，便可使后者的細(xì)胞核體積增大，濃縮的染色質(zhì)變得松散，原來已經(jīng)失去的合成RNA和DNA的功能在寄主HeLa細(xì)胞質(zhì)的影響下，重新恢復(fù)了。
生理機(jī)制
分裂的不對(duì)稱性
卵母細(xì)胞的細(xì)胞核并不位于細(xì)胞中央，而是在細(xì)胞外周靠近表面的地方，極體就是從這里形成并釋放出來的，通常把極體釋放的位點(diǎn)稱為動(dòng)物極，而相對(duì)的一極稱為植物極。
動(dòng)物卵細(xì)胞中，貯存有2萬-5萬種不同核酸序列的mRNA，專供受精卵的啟動(dòng)、分化和發(fā)育之用。卵細(xì)胞中的mRNA并非均勻分布的，而是位于特定的空間。因此，卵細(xì)胞質(zhì)的特性決定了子細(xì)胞核的分化命運(yùn)，如昆蟲是以表面卵裂的方式形成胚層細(xì)胞的。
細(xì)胞間的相互作用
細(xì)胞間的相互作用是各式各樣的，可以是誘導(dǎo)作用，也可以是抑制作用。就作用方式來說，有的作用需要細(xì)胞的直接接觸，另一些所需要的可能是間隔一定距離的化學(xué)物質(zhì)的擴(kuò)散。
（1）胚胎誘導(dǎo)：在胚胎發(fā)育過程中，一部分細(xì)胞影響相鄰細(xì)胞向一定方向分化的作用稱為胚胎誘導(dǎo)，如中胚層形成的脊索可誘導(dǎo)其頂部的外胚層發(fā)育成神經(jīng)板、神經(jīng)溝和神經(jīng)管，視細(xì)胞可誘導(dǎo)其外面的外胚層形成晶體，而晶體又可誘導(dǎo)外胚層形成角膜。
誘導(dǎo)不但在中軸器官的形成中起作用，也在以后器官的發(fā)生中起作用。例如間質(zhì)細(xì)胞的存在對(duì)體內(nèi)腺體上皮的形成和分化是必不可少的。這些腺體包括甲狀腺、胸腺、唾液腺和胰腺，它們對(duì)間質(zhì)細(xì)胞的依賴程度有很大差異。在離體條件下，胰腺原基只要有間質(zhì)細(xì)胞存在就可以繼續(xù)發(fā)育。
（2）分化抑制：用含有成蛙心組織的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚，則蛙胚不能發(fā)育出正常的心臟，若去除成蛙心組織，則蛙胚發(fā)育正常，這說明分化成熟的細(xì)胞可以產(chǎn)生某種物質(zhì)，抑制相鄰細(xì)胞發(fā)生同樣的分化，這種作用稱為分化抑制。
如在蠑螈美國白燈蛾或成體摘除水晶體后，可以從背部的虹彩再生出一個(gè)新的。進(jìn)一步的分析指出，再生水晶體的能力局限在虹彩背部的邊緣層。如把這部分組織移到另一個(gè)摘除水晶體的眼睛，不是位于背部，而是使它位于腹部，仍舊可以由它再生出水晶體。
既然這部分細(xì)胞有生長水晶體的能力，為什么在正常的眼睛里不表現(xiàn)？如把虹彩的背部移到另一只未摘除水晶體的眼睛里，不管使它位于那一部位，都長不出水晶體。如在摘除水晶體的眼睛里，經(jīng)常注射完整的（帶有水晶體的）眼腔液體，在注射期間，虹彩背部的細(xì)胞也長不出水晶體。由此可見，虹彩背部的細(xì)胞本來具有產(chǎn)生水晶體的能力，正常水晶體會(huì)產(chǎn)生一種物質(zhì)，對(duì)此起抑制作用。
細(xì)胞分化中基因表達(dá)的調(diào)節(jié)控制是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，在蛋白質(zhì)合成的各個(gè)水平，從mRNA的轉(zhuǎn)錄、加工到翻譯，都會(huì)有調(diào)控的機(jī)制。在脫氧核糖核酸水平也存在調(diào)控機(jī)制（如基因的丟失、放大、移位重組、修篩以及染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化等）。不同的細(xì)胞在其發(fā)育中的基因表達(dá)的調(diào)節(jié)控制不同；相同的細(xì)胞在其發(fā)育的各階段中，調(diào)節(jié)控制的機(jī)制不同。
（3）細(xì)胞數(shù)量效應(yīng)：當(dāng)小鼠胚胎胰腺原基在體外進(jìn)行組織培養(yǎng)時(shí)，可發(fā)育成具有功能的胰腺組織，但是，如果把胰腺原基切成8小塊分別培養(yǎng)，則都不能形成胰腺組織；如果再把分開的小塊合起來，又可形成胰腺組織。可見細(xì)胞數(shù)量對(duì)誘導(dǎo)組織形成可能也是必要的。
（4）細(xì)胞外基質(zhì)：細(xì)胞外基質(zhì)在胚胎發(fā)育和細(xì)胞分化中也具有重要的作用。
（5）激素的作用：激素對(duì)細(xì)胞分化的影響可看做是遠(yuǎn)距離細(xì)胞間的相互作用，如昆蟲的保幼激素和蛻皮激素。前者的功能是保持美國白燈蛾特征，促進(jìn)成蟲器官原基的發(fā)育，后者的功能是促進(jìn)蛻皮和成蟲形成的出現(xiàn)。當(dāng)兩者保持一定的比例時(shí)，幼蟲化蛹，變?yōu)槌上x。成蟲期又開始合成保幼激素，促進(jìn)性腺的發(fā)育。
分化潛能
一、全能性、多能性和單能性受精卵能夠分化出各種細(xì)胞、組織，形成一個(gè)完整的個(gè)體，所以把受精卵的分化潛能稱為全能性。隨著分化發(fā)育的進(jìn)程，細(xì)胞逐漸喪失其分化潛能。從全能性到多能性，再到單能性，最后失去分化潛能成為成熟定型的細(xì)胞。植物的枝、葉、根都有可能長成一株完整的植株，細(xì)胞培養(yǎng)的結(jié)果也證明即使高度分化的植物細(xì)胞也可以培養(yǎng)成一個(gè)完整的植株，因此可以說絕多數(shù)植物細(xì)胞具有全能性。成熟動(dòng)物細(xì)胞顯然不具備全能性。其原因并非在細(xì)胞核而在細(xì)胞質(zhì)，如大量的核移殖實(shí)驗(yàn)證實(shí)，分化細(xì)胞的核仍保留完整的基因組脫氧核糖核酸。中國發(fā)育生物學(xué)家童第周1978年成功地將黑斑側(cè)褶蛙成熟的細(xì)胞核移入去核的受精卵細(xì)胞內(nèi)，培育出了蝌蚪。60年代的爪蟾和80年代小鼠的核移殖，90年代末多利羊的誕生都證明了分化細(xì)胞具有完整的基因組DNA。在人的一生中，皮膚、小腸和血液等組織需要不斷地更新，這個(gè)任務(wù)是由干細(xì)胞完成的。干細(xì)胞是一類具有分裂和分化能力的細(xì)胞，多能干細(xì)胞可以分化出多種類型的細(xì)胞，但它不可能分化出足以構(gòu)成完整個(gè)體的所有細(xì)胞，所以多能干細(xì)胞的分化潛能稱為多能性（pluripotent）。單能干細(xì)胞來源于多能干細(xì)胞，具有向特定細(xì)胞系分化的能力，也稱為祖細(xì)胞（progenitor）。二、干細(xì)胞的特點(diǎn)干細(xì)胞具有以下生物學(xué)特點(diǎn)：①終生保持未分化或低分化特征；②在機(jī)體的中的數(shù)目、位置相對(duì)恒定；③具有自我更新能力；④能無限制的分裂增殖；⑤具有多向分化潛能，能分化成不同類型的組織細(xì)胞，造血干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞等成體干細(xì)胞具有一定的跨系、甚至跨胚層分化的潛能；⑥分裂的慢周期性，絕大多數(shù)干細(xì)胞處于G0期；⑦通過兩種方式分裂，對(duì)成分裂和不對(duì)稱分裂前者形成兩個(gè)相同的干細(xì)胞，后者形成一個(gè)干細(xì)胞和一個(gè)祖細(xì)胞。根據(jù)干細(xì)胞的分化能力，可以分為全能干細(xì)胞、多能干細(xì)胞和單能干細(xì)胞。全能干細(xì)胞可以分化為機(jī)體內(nèi)的任何一種細(xì)胞，直至形成一個(gè)復(fù)雜的有機(jī)體。多能干細(xì)胞可以分化為多種類型的細(xì)胞，如造血干細(xì)胞可以分化為12種血細(xì)胞。有些文獻(xiàn)中將分化潛能更廣的細(xì)胞叫做多潛能干細(xì)胞（pluripotentstemcell），如骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，而把向某一組織類型細(xì)胞分化的干細(xì)胞叫做多能干細(xì)胞（multipotentstemcell），如前面提到的造血干細(xì)胞。單能干細(xì)胞只能分化為一種類型的細(xì)胞，而且自我更新能力有限。三、胚胎干細(xì)胞根據(jù)個(gè)體發(fā)育過程中出現(xiàn)的先后次序不同，干細(xì)胞又可分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞（embryonicstemcells，ESC）是指從胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)或原始配子篩選分離出的具有多能性或全能性的細(xì)胞，此外也可以通過體細(xì)胞核移植技術(shù)獲得。ESC能表達(dá)POU家族的轉(zhuǎn)錄因子Oct-3/4；在移植后能形成的畸胎瘤，在體外適當(dāng)條件下能分化為代表三胚層結(jié)構(gòu)的體細(xì)胞ESC的用途主要有：①克隆動(dòng)物，由體細(xì)胞作為核供體進(jìn)行克隆動(dòng)物生產(chǎn)，雖然易于取材，但克隆動(dòng)物個(gè)體中表現(xiàn)出嚴(yán)重的生理或免疫缺陷病，而且多為致命性的；②轉(zhuǎn)基因動(dòng)物，以ESC細(xì)胞作為載體，可大大加快轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)的速度，提高成功率；③組織工程，人工誘導(dǎo)ESC定向分化，培育出特定的組織和器官，用于醫(yī)學(xué)治療的目的。
四、再生狹義地講再生指生物的器官損傷后，剩余的部分長出與原來形態(tài)功能相同的結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象稱為再生，如鉛山壁虎的尾、蠑螈的肢、螃蟹的足，在失去后又可重新形成，海參可以形成全部內(nèi)臟，水螅、蚯蚓、蝸蟲等低等動(dòng)物的每一段都可以形成一個(gè)完整的個(gè)體等等。但是從廣義的角度來看再生是生命的普遍現(xiàn)象，從分子、細(xì)胞到組織器官都具有再生現(xiàn)象。再生的形式：生理性再生：即細(xì)胞更新，如人體內(nèi)每秒中約有600萬個(gè)新生的紅細(xì)胞替代相同數(shù)量死亡的紅細(xì)胞。修復(fù)性再生：許多無脊椎動(dòng)物用這種方式來形成失去的器官，如上述提到的壁虎的尾和螃蟹的肢。重建：是人工實(shí)驗(yàn)條件下的特殊現(xiàn)象。如人為將水的一片組織分散成單個(gè)細(xì)胞。在懸液中，這些細(xì)胞重新聚集，在幾天至幾周以后，形成一條新的水螅。
腫瘤分化
腫瘤患者經(jīng)常會(huì)聽到類似“高分化鱗狀細(xì)胞癌”，“低分化腺癌”等專業(yè)術(shù)語。大多病人在患病之初往往不了解這些術(shù)語的意義。現(xiàn)在我們就來介紹一個(gè)關(guān)于癌細(xì)胞非常關(guān)鍵的一個(gè)術(shù)語--腫瘤細(xì)胞分化程度(Differentiation)。
所謂分化程度就是指腫瘤細(xì)胞接近于正常細(xì)胞的程度。分化得越好(稱為“高分化”就意味著腫瘤細(xì)胞越接近相應(yīng)的正常發(fā)源組織；而分化較低的細(xì)胞(稱為“低分化”或“未分化”)和相應(yīng)的正常發(fā)源組織區(qū)別就越大，腫瘤的惡性程度也相對(duì)較大。
按照腫瘤分化的程度，病理專家通常將其分為三個(gè)病理等級(jí)，并用英文字母G(代表Grade,即分化)來表示。級(jí)別越高表示細(xì)胞分化程度越差。
G1，即高分化，細(xì)胞分化程度較好。一般來說，G1的腫瘤細(xì)胞分裂速度較慢。
G2，即中分化，細(xì)胞分化程度居中。
G3，即低分化，細(xì)胞分化程度較差。腫瘤細(xì)胞分裂速度較快。
可以說腫瘤細(xì)胞的分化程度越差，它的惡性程度就越高，腫瘤體生長較迅速，而且容易發(fā)生轉(zhuǎn)移。分化好的腫瘤一般生長較慢，而且在治療后不易復(fù)發(fā)。但是，對(duì)不同腫瘤來說，腫瘤細(xì)胞的分化程度和病人的預(yù)后并不一定都有直接關(guān)系。從治療的角度上來說，某些分化程度低的細(xì)胞對(duì)于化療和放療更敏感，換言之，這些分化程度越低的腫瘤越容易通過化放療來治療。因此，并非高分化腫瘤的預(yù)后都好于低分化腫瘤。比如常見的血液惡疾淋巴癌，某些中高分化的淋巴癌通過化療和放療的聯(lián)合治療方法，治愈率可達(dá)40%左右。而大多的慢性淋巴癌(屬低分化)，病情的發(fā)展往往非常緩慢，可持續(xù)幾年甚至十幾年，但藥物治療對(duì)慢性淋巴癌卻幾乎沒有治愈的效果。鼻咽癌的診治中也有類似的情況。又如口腔或咽喉部鱗狀細(xì)胞癌，腫瘤細(xì)胞的分化程度和病人的預(yù)后則沒有直接關(guān)聯(lián)。
總之，對(duì)于不同的腫瘤來說，細(xì)胞的分化程度有著不同的意義。腫瘤細(xì)胞的分化程度是癌癥診斷和治療中一個(gè)重要的參考的數(shù)據(jù)，但治療的效果，還是需要結(jié)合癌癥的種類，分期，治療方法來綜合判斷。
參考資料 >