【重点提要】
细胞分化的概念、本质及其影响因素；干细胞的概念及其分类；胚胎干细胞与成体干细胞；细胞命运重编程与诱导性多潜能干细胞；干细胞应用。
【基本概念】
细胞分化（cell differentiation）:是指在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程。
管家基因（house-keeping genes）:是指所有细胞中均表达的一类基因，其产物是维持细胞基本生命活动所必需的。
组织特异性基因（tissue-specific gene），又称细胞类型特异性基因（cell type-specific gene），亦称奢侈基因（luxury gene）:是指不同类型细胞进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的生理功能。细胞分化的实质是组织特异性基因在时间与空间上的差异性表达。
组合调控（combinational control）：是指有限的少量调控蛋白启动了为数众多的特异细胞类型的分化程序，即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同参与完成的。
主导基因(master gene)：是指编码在启动细胞分化的各类调节蛋白中的一两种起决定作用的调控蛋白的基因。主导基因的表达可能启动整个细胞的分化过程。
细胞谱系（cell lineage）：是指受精卵从第一次卵裂时起，到分化为各组织和器官的终末细胞时为止的发育史；因其母代细胞和子代细胞之间世代相承的关系类似于人类族谱，故又被称为“细胞世系”。
转分化（transdifferentiation）：是指一种类型的分化细胞转变成另一种类型的分化细胞的现象，往往经历去分化和再分化的过程。
重编程（reprogramming）：是指已分化的细胞或细胞核在特定条件下完成去分化程序，最终形成原始的胚性细胞的过程。
再生（regeneration）：一般是指生物体缺失部分后重建的过程，广义的再生可包括细胞水平、组织与器官水平及个体水平的再生。
胚胎诱导（embryonic induction）：也称近端组织相互作用（promixate tissue interaction），是指早期胚胎发育过程中，一部分细胞会影响周围细胞使其向一定方向分化的现象。主要通过细胞旁分泌产生的信号分子来实现的。
位置效应（position effect）：细胞所处的位置不同对细胞分化的命运有明显的影响，改变细胞所处的位置可导致细胞分化方向的改变，这种现象称位置效应。
细胞决定（cell determination）：是指一个细胞接受了某种指令，在发育中这一细胞及其子代细胞将区别于其他细胞而分化成某种特定的细胞类型，或者说在形态、结构与功能等分化特征尚未显现之前就已确定了细胞的分化命运。细胞的决定与细胞的记忆有关。
干细胞（stem cell）：是机体中能进行自我更新（产生与自身相同的子代细胞）并具有多向分化潜能（分化形成不同细胞类型）的一类细胞。根据分化潜能的不同，干细胞可分为全能干细胞（totipotent stem cell）、多潜能干细胞(pluripotentstem cell)、多能干细胞（multipotent stem cell）和单能干细胞（unipotent stem cell）。根据来源不同， 干细胞又可分为胚胎干细胞（embryonicstem cell, ESC）和成体干细胞（adult stem cell）。
终末分化（terminal differentiation）：指由干细胞最终形成特化细胞类型的过程。
胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES）：是从早期胚胎的内细胞团（ICM）或原始生殖细胞（PGC）分离出来的具有发育全能性的一种未分化的细胞，它具有与胚胎细胞相似的形态特征及分化潜能。
细胞全能性（totipotency）：是指细胞经分裂和分化后仍具有形成完整有机体的潜能或特性。动物的受精卵、卵裂早期的胚胎细胞及植物细胞具有全能性。
诱导性多潜能干细胞(inducedpluripotent stem cells, iPS cells)：通过采用导入外源基因或化学物质的方法使体细胞重编程去分化转变成为的多潜能干细胞，称之为诱导多能干细胞。
内细胞团（inner cellmass, ICM）：是指在囊胚期位于囊胚腔内侧的一群细胞（内细胞团，inner cell mass），是胚胎干细胞的主要来源，能分化出成体动物的所有组织和器官。
干细胞的可塑性（plasticity）：主要是指成体干细胞具有分化为其他类型组织细胞的能力的这种现象称为干细胞的可塑性，横向分化（transdifferentiation）或转决定（transdetermination）。
细胞谱系重编程（lineage reprogramming）：是指直接将成熟细胞转分化为其他类型的功能细胞或祖细胞，即一种类型已分化的细胞转变成为另一谱系的分化细胞。转分化是谱系重编程的一种方式。
【知识点解析】
一、细胞分化
（一）细胞分化的基本概念
1.细胞分化是基因选择性表达的结果
细胞分化是由于细胞选择性地表达各自特有的专一性蛋白质而导致细胞形态、结构与功能的差异。不同类型的细胞各自表达一套特异的基因，其产物不仅决定细胞的形态结构，而且执行特定的生理功能。
2.管家基因与组织特异性基因
管家基因是指所有细胞中均表达的一类基因，其产物是维持细胞基本生命活动所必需的，这类基因一般在细胞周期S期的早期复制。
组织特异性基因是指不同类型细胞中特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的功能，这类基因的复制一般也在细胞周期S 期的早期，但在不表达这类基因的细胞中，则在S 期的晚期复制。因此，细胞分化的实质是组织特异性基因在时空上的差异表达。
3.组合调控引发组织特异性基因的表达
细胞分化的机制为组合调控，是指有限的少量调控蛋白启动了为数众多的特异细胞类型的分化程序，即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同参与完成的。如果调控蛋白的数目是n，则其调控的组合在理论上可以启动分化的细胞类型为2n 。
借助于组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与其他调控蛋白形成适当的组合，不仅可以将一种类型的细胞转化成另一种类型的细胞，而且遵循类似的机制，甚至可以诱发整个器官的形成。
4.单细胞有机体的细胞分化
单细胞生物甚至原核生物也存在细胞分化，然而与多细胞有机体细胞分化的不同之处是：前者多为直接应对外界生活环境的改变，而后者则通过遗传程序控制的细胞分化构建执行不同功能的组织与器官，从而间接地适应环境的改变。因此，多细胞有机体在其分化程序与调节机制方面显得更为复杂。
5.转分化与再生
一种类型的分化细胞转变成另一种类型的分化细胞的现象称转分化。转分化往往经历去分化和再分化的过程。去分化又称脱分化，是指分化细胞失去其特有的结构与功能变成具有未分化细胞特征的过程。
生物界普遍存在再生现象（regeneration）。广义的再生可包括细胞水平、组织与器官水平及个体水平的再生。不同的有机体，其再生能力有明显的差异。再生现象从另一个侧面反映了细胞的全能性。
（二）影响细胞分化的因素
从单细胞的受精卵到多细胞的成体，是一个受到精密调控的细胞分裂、迁移和分化、凋亡的过程，而细胞分化是整个发育的基础与核心。基因的选择性表达主要是由调节转录因子蛋白所启动。转录因子蛋白的组合是影响细胞分化的主要的直接因素。一般来说，这种影响主要是胞外信号及细胞微环境，同细胞内的信号转导调控网络相互作用。
1. 受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响。决定子是一种与蛋白质结合处于非活性状态的mRNA（隐藏mRNA）,能影响卵裂细胞向不同方向分化的细胞质成分，这种不均匀性在一定程度上决定了胚胎发育早期细胞的分化。
2.信号分子及细胞的位置信息对细胞分化的影响。近端组织的相互作用主要通过细胞旁分泌产生的信号分子来实现的，另一种远距离细胞间相互作用对细胞分化的影响主要是通过激素来调节的。
细胞所处的位置不同对细胞分化的命运有明显的影响。实验证明，改变细胞所处的位置可导致细胞分化方向的改变，这种现象称位置效应。
3 . 细胞记忆与决定。决定（determination）是指一个细胞接受了某种指令，在发育中这一细胞及其子代细胞将区别于其他细胞而分化成某种特定的细胞类型，或者说在形态、结构与功能等分化特征尚未显现之前就已确定了细胞的分化命运。细胞的决定与细胞的记忆有关，而细胞记忆可能通过两种方式实现：一是正反馈途径（positive feedback loop），二是染色体结构变化（DNA 与蛋白质相互作用及其修饰）的信息传到子代细胞。
4. 染色质变化与基因重排对细胞分化的影响。马蛔虫在卵裂的32个细胞的分裂球阶段，除一个细胞（将分化成生殖细胞）保留正常的染色体外，其余将分化成体细胞的细胞中，全部出现了染色体丢失。纤毛虫类（如草履虫、四膜虫）的细胞内存在2个细胞核，小核称为生殖核，包含完整的二倍体基因组，但基因基本不表达；大核称为营养核，丢失10％～90％的DNA，剩余的DNA 经重排与扩增后形成多倍体，其基因活跃地转录并决定其一切表型特征。B淋巴细胞在分化为浆细胞过程中，其编码抗体的基因可发生重排。
二、干细胞
（一）干细胞的概念及分类
干细胞是机体中能进行自我更新（产生与自身相同的子代细胞）和多向分化潜能（分化形成不同细胞类型）的一类细胞。
根据分化潜能的不同，干细胞可分为全能干细胞、多潜能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。全能干细胞具有分化形成完整生命体的潜能或特性。多潜能干细胞通常是指在一定条件下，能分化产生3 个胚层中各种类型的细胞并形成器官的一类干细胞。多能干细胞仅具有分化形成多种细胞类型的能力。单能干细胞则只能向一种或密切相关的几种终末细胞类型分化。根据来源不同，干细胞又可分为胚胎干细胞和成体干细胞。干
（二）胚胎干细胞
胚胎干细胞是指在囊胚期位于囊胚腔内侧的一群细胞（内细胞团，inner cell mass, ICM），是多种潜能的干细胞，能分化出成体动物的所有组织和器官，ES细胞是一种高度未分化细胞，胚胎干细胞的发育等级较高。
干细胞的自我更新和定向分化具有自身的调控网络（程序）。信号分子FGF、Wnt和TGFβ等通过调控多潜能性基因Oct4、Sox2、Nanog的活性，保持胚胎干细胞自我更新特性；骨形成蛋白（bonemorphogenetic protein, BMP）具有抑制胚胎干细胞的自我更新和诱导细胞分化的功能。
（三）成体干细胞
成体动物的组织和器官需要足够数量的细胞维持机体的代谢平衡及生长和衰退的动态平衡，有些组织具有修复和再生（如表皮和造血系统）的能力。成体干细胞在其中起着关键的作用。成体干细胞周边细胞、细胞外基质及胞外信号提供了微环境（干细胞巢，stem cell niche）
1. 造血干细胞，造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源，它主要存在于骨髓、外周血、脐带血中。造骨髓造血干细胞可以分化成多种髓系细胞、红细胞和淋巴细胞等多种血液细胞。
2. 神经干细胞，主要指在胚胎发育早期（神经胚发育）由单层细胞构成的神经管，它是神经系统发育的来源。在成体大鼠的闻状体、海马等部位存在成体干细胞。
3. 肠道干细胞，位于肠黏膜隐窝基底部，正常情况下，位于隐窝基底部的肠道干细胞不断向隐窝顶部(肠腔方向)迁移，在迁移过程中肠道干细胞分化形成不同的肠黏膜细胞。
4. 间充质干细胞（mesenchymalstem cells ，MSC,），位于骨髓中，具有多向分化潜能、造血支持等功能，属于多能干细胞。
（四）细胞命运重编程与诱导性多潜能干细胞
诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPScell）：通过基因转染技术将某些转录因子导入动物或人的体细胞，使体细胞直接重构成为胚胎干细胞样的多潜能细胞。诱导多能干细胞最初是日本人山中申弥（Shinya Yamanaka）于2006年利用病毒载体将四个转录因子（Oct4, Sox2, Klf4 和c-Myc）的组合转入分化的体细胞中而实现。也有采用化学物质诱导获得诱导多能干细胞的报道。
（五）干细胞的应用
主要应用于生产克隆动物；转基因动物；器官组织移植；细胞治疗；细胞替代治疗和基因治疗的载体；组织工程等领域。
类器官（Organoids），是一种在体外环境下，由干细胞发育而来的具有器官细胞核空间特性的细胞集合体，这种三维结构能够模拟体内的细胞分化和器官空间构成。制造类器官的工具细胞主要为组织特异性多能干细胞，它们具有自我更新、定向分化及自我组织构建器官的特征。类器官广泛应用于开展组织生物学、发育、再生、疾病建模 (包括癌症研究)、器官移植技术改良、药物发现/疗效评估以及毒理学的研究。
