细胞分化

细胞分化是干细胞转变为分化细胞的过程。通常，细胞会转变为更专业的类型。分化在多细胞生物发育过程中多次发生，从简单的受精卵发育成复杂的组织和细胞系统。成体干细胞在组织修复和常规细胞更新过程中继续发育，产生完全分化的子细胞。一些分化发生在对病原体暴露的反应中。分化会显著改变细胞的大小、形状、膜电位、代谢活性和对刺激的敏感性。

这些改变主要是由于基因表达精细调控的变化，也是表观遗传学研究的重点。少数例外情况是，细胞分化很少涉及 DNA 序列本身的变化。然而，干细胞的代谢组成变化很快，其特点是含有大量结构高度不饱和的代谢物，随着分化这些代谢物的浓度会降低。因此，具有相同 DNA 的不同细胞可能具有极其不同的物理特性。

终末分化是一种特殊的细胞分化类型，在脊椎动物神经系统、横纹肌、表皮和肠道等特定组织中很重要。在终末分化过程中，先前能够进行细胞分裂的前体细胞永久退出细胞周期，拆除细胞周期机制，并经常表达一组对细胞最终作用特异的基因。如果细胞的能力和功能发生进一步改变，分化可能会在终末分化后继续进行。

细胞潜能，即细胞分化成其他细胞类型的能力，在分裂细胞之间有所不同。潜能越高，产生的细胞类型就越多。全能细胞是指那些能够发育成任何细胞类型（包括胎盘组织）的细胞。在人类中，只有受精卵及其后续的卵裂球是全能的，但在植物中，许多分化细胞可以通过简单的实验室程序变成全能细胞。

多能细胞可以发育成成年生物体所有类型的细胞。在高等植物中，这些细胞被称为分生组织细胞，在哺乳动物中称为胚胎干细胞，尽管一些研究表明存在成体多能细胞。

病毒诱导的四种转录因子 Oct4、Sox2、c-Myc 和 Klf4（山中因子）的产生足以从成体成纤维细胞生成多能（iPS）细胞。多能细胞是指能够分化成几种不同但密切相关的细胞类型的细胞。寡能细胞比多能细胞的限制更多，但它们仍然可以发育成几种密切相关的细胞类型。最后，单能细胞只能发育成一种细胞类型，但可以自我更新。在细胞病理学中，细胞分化的程度用于评估癌症的发生。“分级”是衡量肿瘤中细胞分化程度的指标。

哺乳动物细胞类型

哺乳动物身体由三种细胞组成：生殖细胞、体细胞和干细胞。成年人约 37.2 万亿（3.72 x 10¹³）个细胞中的每一个都包含自己的基因组副本，除了某些细胞类型，如红细胞，它们在完全分化时没有细胞核。大多数细胞是二倍体，每条染色体有两个副本。人体大部分由体细胞组成，包括皮肤和肌肉细胞。细胞分化是为了专门化各种功能。

生殖细胞是产生配子（卵子和精子）的任何细胞系，因此贯穿代际连续。

另一方面，干细胞可以无限分裂并产生特化细胞。它们最好从正常人体生长方面来理解。

当精子受精卵时，形成一个能够长成完整生物体的单细胞。在受精后数小时内，该细胞会分裂成相同的细胞。在人类中，受精后约四天，经过多个细胞分裂周期，这些细胞开始分化，形成一个称为囊胚的细胞空心球。囊胚包含一层外层细胞。在这个空心球内部，有一个称为内细胞团的细胞簇。人体几乎所有组织都由内细胞团的细胞组成。内细胞团的细胞可以产生人体几乎所有类型的细胞，但它们不能形成生物体。这些细胞被称为多能细胞。

多能干细胞进一步分化为多能祖细胞，最终产生功能细胞。干细胞和祖细胞的例子是：

• 放射状胶质细胞（胚胎神经干细胞）通过神经发生过程产生胎儿大脑中的兴奋性神经元。
• 造血干细胞（成体干细胞）起源于骨髓，产生红细胞、白细胞和血小板。
• 间充质干细胞（成体干细胞）起源于骨髓，产生基质细胞、脂肪细胞和其他类型的骨细胞。
• 上皮干细胞（祖细胞）产生不同类型的皮肤细胞。
• 肌肉卫星细胞（祖细胞）贡献给发达的肌肉组织。

随着细胞卵裂球从单层卵裂球分化为哺乳动物的三种主要胚层细胞，即外胚层、中胚层和内胚层，通过由四种氨基酸（精氨酸、甘氨酸、天冬酰胺和丝氨酸）组成的细胞粘附分子形成了一条由细胞粘附分子引导的通路。外胚层发育皮肤和神经系统；中胚层形成骨骼和肌肉组织；内胚层形成内部器官组织。

去分化

去分化，也称为整合，是在蠕虫和两栖动物等较原始生命体中观察到的细胞过程，其中分化细胞通常作为再生过程的一部分返回到早期胚胎阶段。去分化也发生在植物细胞中。在实验室细胞培养中，细胞可以改变形态或丢失某些特征，例如蛋白质表达，这个过程称为去分化。

有人认为去分化是导致癌症的异常，而其他人则认为这是人类在进化过程中在某个时候丧失的免疫反应的自然方面。

最近发现的一种名为 reversine（一种嘌呤类似物）的化学物质已显示出能促进肌管的去分化。这些明显去分化的细胞，现在主要作为干细胞发挥作用，之后可以重新分化为成骨细胞和脂肪细胞。

机制

一个生物体中的每种特化细胞类型都表达该物种基因组构成基因的一个子集。每种细胞类型都由受控基因表达的独特模式识别。因此，细胞分化被定义为细胞从一种细胞类型转变为另一种细胞类型，涉及基因表达模式的变化。发育过程中的细胞分化可以用基因调控网络来描述。调控基因及其顺式调控模块是基因调控网络中的节点；它们接受输入并在网络中的其他地方产生输出。

发育生物学的系统生物学方法强调研究发育过程如何组合以产生可预测模式（形态发生）的重要性。然而，最近出现了一种对立的观点。基于随机基因表达，细胞分化是细胞之间发生的达尔文选择过程的产物。在这个框架中，蛋白质和基因网络是生物过程的结果，而不是原因。

虽然进化上保守的分子过程参与了这些开关的细胞机制，但在动物物种中，它们与细菌和动物最接近的单细胞表亲所熟知的基因调控系统存在显著差异。哺乳动物的细胞发育在很大程度上依赖于调控蛋白和增强子 DNA 序列的生物分子凝聚体。

细胞分化通常受细胞信号传导调节。生长因子是用于描述细胞发育过程中在细胞之间传递信息的几种信号分子的术语。尽管信号转导通路的细节不同，但它们通常共享以下广泛过程。由一个细胞产生的配体结合到另一个细胞细胞外区域中的受体上，导致受体改变形状。受体的细胞内域改变形状并获得酶活性。然后受体催化磷酸化并激活其他蛋白质的过程。一系列磷酸化过程最终激活一个潜在的转录因子或细胞骨架蛋白，从而促进目标细胞的分化过程。

能力，即响应外部线索的能力，在细胞和组织之间有所不同。

信号诱导是指一系列信号事件，其中一个细胞或组织传递给另一个细胞或组织以影响其发育命运。Yamamoto 和 Jeffery 探讨了晶状体在洞穴鱼和地表鱼眼睛形成中的作用，提供了一个引人注目的诱导例子。Yamamoto 和 Jeffery 发现，地表鱼的晶状体囊泡可能驱动洞穴鱼和地表鱼眼睛其他部分的形成，但洞穴鱼的晶状体囊泡则不能。

其他重要过程属于不对称细胞分裂的范畴，它产生具有独特发育轨迹的子细胞。不对称细胞分裂可能是由不对称表达的母体细胞质决定因素或信号传导引起的。在前一种过程中，由于母细胞中调控分子的不均等分布，在细胞质分裂过程中会形成不同的子细胞；每个子细胞继承的独特细胞质导致每个子细胞具有独特的分化模式。果蝇身体轴模式形成是不对称分裂模式生成的一个研究得很好的例子。RNA 分子是细胞内分化控制信号的关键形式。不对称细胞分裂的生化和遗传基础也在绿藻属的伏尔沃克斯（Volvox）中进行了研究，这是一个研究单细胞生物如何发育成多细胞物种的模型系统。在 Volvox carteri 中，32 细胞胚胎的前半球的 16 个细胞不对称分裂，产生一个巨大的子细胞和一个小的子细胞。每个细胞分裂结束时的细胞大小决定了它是一个特化的生殖细胞还是体细胞。

由于每个细胞，无论类型如何，都具有相同的 DNA，因此细胞类型必须由基因表达决定。虽然基因表达可以由顺式和反式调控元件（如基因的启动子和增强子）调控，但问题在于如何在细胞分裂的数代中维持这种表达模式。事实上，表观遗传机制在决定选择干细胞、祖细胞或成熟细胞命运方面发挥着重要作用。本节将主要讨论哺乳动物干细胞。在基因调控网络的系统生物学和数学建模中，细胞命运决定预计会显示特定的动力学，例如吸引子收敛（吸引子可能是平衡点、极限环或奇怪吸引子）或振荡。

表观遗传控制的重要性

第一个问题是表观遗传机制在决定细胞命运方面的范围和复杂性。Lister R 等人 2011 年关于人类诱导多能干细胞中表观基因组编程缺陷的工作为这个问题提供了一个清晰的答案。由于诱导多能干细胞（iPSCs）在多能性方面与胚胎干细胞相似，因此它们应该具有最少的表观遗传学改变。为了检验这一假设，科学家们对不同的人类胚胎干细胞（ESC）、iPSC 和祖细胞系进行了全基因组 DNA 甲基化模式的分析。

雌性脂肪细胞、肺成纤维细胞和包皮成纤维细胞使用 OCT4、SOX2、KLF4 和 MYC 基因被重编程为诱导多能性。比较了 ESC、iPSC 和体细胞的 DNA 甲基化模式。Lister R 等人发现胚胎和诱导多能细胞之间的甲基化水平存在显著相似性。在 ESC 和 iPSC 中，超过 80% 的 CG 二核苷酸被甲基化，但在体细胞中只有 60% 被甲基化。此外，体细胞在非 CG 二核苷酸中的胞嘧啶甲基化水平很低，而诱导多能细胞的甲基化水平与胚胎干细胞相似，介于 0.5% 到 1.5% 之间。因此，与它们不同的转录活性一致，ESC 和 iPSC 具有相似的 DNA 甲基化模式，至少在基因组水平上。

然而，当科学家们更仔细地检查甲基化模式时，他们观察到在至少一种 ES 或 iPS 细胞类型之间存在 1175 个位点的 CG 二核苷酸甲基化差异。当将这些差异甲基化区域与原始体细胞中的胞嘧啶甲基化区域进行比较时，44-49% 反映了相应祖体细胞的甲基化模式，而 51-56% 的区域与祖细胞和胚胎细胞系都不相似。iPSC 细胞系的体外分化显示，分别转移了 88% 和 46% 的高甲基化和低甲基化差异甲基化区域。

这项研究明确得出两个结论。第一，表观遗传机制在细胞命运决定中起着重要作用，这可以通过诱导多能和胚胎干细胞中相似的胞嘧啶甲基化水平来证明，这些水平与它们各自的转录模式相对应。第二，重编程（以及引申为分化）的方法非常复杂，并且不能轻易复制，这从 ES 和 iPS 细胞之间大量的差异甲基化位点可以看出。在确立了这两点之后，我们可以研究一些被认为会影响细胞分化的表观遗传过程。

表观遗传调控机制

三种转录因子 OCT4、SOX2 和 NANOG，其中前两种用于诱导多能干细胞（iPSC）重编程，以及 Klf4 和 c-Myc，在未分化的胚胎干细胞中高度表达，并维持多能性所必需。人们认为它们通过改变染色质结构（如组蛋白修饰和 DNA 甲基化）来抑制或允许靶基因的转录，从而实现这一点。虽然它们高度表达，但它们的水平需要精确的平衡来维持多能性，并且扰动会根据基因表达水平的变化诱导向不同谱系的发生。

在胚层命运选择之前，已发现 Oct-4 和 SOX2 水平的差异控制。Oct4 水平升高和Sox2 水平降低有利于中内胚层命运，Oct4 积极抑制与神经外胚层发育相关的基因。类似地，Sox2 水平增加和 Oct4 水平降低增强了神经外胚层发育，但 Sox2 抑制中胚层分化。无论谱系细胞如何向下分化，NANOG 的抑制都被发现是分化的必要条件。

Polycomb 抑制复合物（PRC2）

Polycomb 抑制复合物 2，是两种 Polycomb 组（PcG）蛋白之一，催化组蛋白 H3 赖氨酸 27 的二甲基化和三甲基化（H3K27me2/me3）。PRC1（也是 PcG 家族蛋白的复合物）结合到 H3K27me2/3 标记的核小体上，并催化组蛋白 H2A 在赖氨酸 119 处的单泛素化（H2AK119Ub1），这会抑制 RNA 聚合酶 II 的活性并导致转录抑制。PcG 基因敲除的 ES 细胞不能有效地分化为三种胚层，并且 PRC1 和 PRC2 基因的缺失会导致谱系相关基因的表达增加和非计划性分化。PcG 复合物可能负责转录抑制促进分化和发育的基因。

Trithorax 组蛋白（TrxG）

或者，作为对分化信号的反应，PcG 蛋白被招募到多能转录因子启动子。PcG 缺陷的 ES 细胞可以分化，但不能维持其分化状态。

Trithorax 组（TrxG）染色质调节因子同时激活促进分化和发育的基因，导致它们失去抑制。TrxG 蛋白定位于转录活跃区域，在那里它们催化组蛋白 H3 赖氨酸 4 三甲基化（H3K4me3），并通过组蛋白乙酰化增强基因激活。PcG 和 TrxG 复合物直接竞争，并被认为功能上敌对，在促进分化和发育的基因位点产生“双价结构域”，使这些基因易于快速诱导或抑制。

DNA 甲基化

DNA 甲基化，它将 CpG 二核苷酸中的胞嘧啶残基甲基化，并通过限制 DNA 可及性来维持遗传性抑制，是调控基因表达的另一种方法。胚胎干细胞中的大多数 CpG 位点未甲基化，并且似乎与含有 H3K4me3 的核小体相关。在分化过程中，有限数量的基因，特别是 OCT4 和 NANOG，被甲基化，它们的启动子被关闭以阻止进一步表达。一致地，DNA 甲基化缺陷的胚胎干细胞在体外分化后迅速发生凋亡。

核小体定位

虽然一个生物体中的大多数细胞具有相同的 DNA 序列，但转录因子结合模式和相关的基因表达模式是不同的。转录因子结合的差异主要由其结合位点的染色质可及性决定，这通过组蛋白修饰和/或先导因子介导。确定核小体是否覆盖了特定的基因结合位点尤其重要。染色质免疫沉淀（ChIP）实验可以帮助识别这一点。

组蛋白乙酰化和甲基化

DNA-核小体相互作用分为两种状态：被核小体牢固结合且转录不活跃（常染色质），以及松散结合且通常（但不总是）转录活跃（常染色质）。

这些改变主要由表观遗传过程引起，如组蛋白甲基化和乙酰化，以及它们的逆过程，去甲基化和去乙酰化。乙酰化和去乙酰化产生更可预测的结果。组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶是将乙酰基添加到组蛋白中带正电的赖氨酸残基上的酶。

乙酰基抑制赖氨酸与带负电的 DNA 主链的相互作用。甲基化不如乙酰化简单，因为甲基化或去甲基化都不一致地对应于基因激活或抑制。然而，已一致证明特定的甲基化可以激活或抑制基因。组蛋白 3 赖氨酸 4 的三甲基化（H3K4Me3）与基因激活有关，而组蛋白 3 赖氨酸 27 的三甲基化则抑制基因。

在干细胞中

在分化过程中，干细胞会改变其基因表达模式。最近的研究将核小体定位和组蛋白改变与这一机制联系起来。这个过程包括两个步骤：抑制胚胎干细胞（ESC）基因的表达和激活细胞命运基因。人们假设赖氨酸特异性去甲基化酶 1（KDM1A）限制了多能基因增强子区域的使用，从而抑制了转录。它与 Mi-2/NuRD 复合物（核小体重塑和组蛋白去乙酰化酶）相互作用，提供了一个例子，说明甲基化和乙酰化不是独立且互斥的，而是相互关联的过程。

信号在表观遗传控制中的作用

最后一个问题是细胞信号如何影响驱动分化的表观遗传机制。这种功能应该存在，因为可以合理地预期外源性信号会通过激活或抑制某些转录因子来引起表观遗传重塑以及基因表达的变化。关于改变表观基因组的确切信号的直接证据很少，并且该问题的大部分现有知识由对潜在候选表观遗传重塑调节剂的猜测组成。

我们将首先讨论许多被认为参与胚胎干细胞及其分化后代诱导和维持的突出可能性，然后再举一个有更多直接证据证明其在表观遗传修饰中作用的特定信号通路示例。

第一个重要的竞争者是 Wnt 信号通路。Wnt通路在分化的所有阶段都活跃，配体 Wnt3a 可以替代 c-Myc 的过表达来产生诱导多能干细胞。破坏 β-catenin（Wnt 信号系统的一个组成部分）会降低神经祖细胞的增殖。

生长因子是细胞分化表观遗传调控的第二类最常见的调控因子。这些形态发生素对发育至关重要，包括骨形态发生蛋白、转化生长因子（TGF）和成纤维细胞生长因子（FGF）。已发现 TGF 和 FGF 通过下游信号 Smad 蛋白维持 OCT4、SOX2 和 NANOG 的表达。生长激素的耗竭促进 ESC 分化，但具有双价染色质的基因可能变得更具限制性或允许转录。正在探索几种不同的信号通路作为主要选择。细胞因子白血病抑制因子参与维持未分化的小鼠胚胎干细胞。

这通过激活 Jak-STAT3 通路来实现，该通路已被证明对维持小鼠 ESC 多能性至关重要且足够。视黄酸可以诱导人和小鼠 ESC 分化，而 Notch 信号传导在干细胞增殖和自我更新中起作用。最后，Sonic hedgehog 刺激胚胎干细胞分化以及体细胞干细胞的自我更新。

当然，问题在于这些信号通路的候选性主要取决于它们在发育和细胞分化中的重要性。虽然表观遗传控制对于驱动细胞分化是必需的，但它们显然不足以完成这个过程。

通过转录因子修饰直接调控基因表达至关重要，并且必须将其与可遗传的表观遗传修饰区分开来，即使在原始环境线索不存在的情况下，这些修饰也可以保留。只有少数信号通路引起改变细胞命运的表观遗传改变的例子，我们将重点关注其中一个。

Shh（Sonic hedgehog）的表达会增加 BMI1 的合成，BMI1 是一个 PcG 复合物的组成部分，它识别 H3K27me3。这是以 Gli 依赖的方式发生的，因为 Gli1 和 Gli2 是 Hedgehog 信号通路的下游效应子。在培养中，Bmi1 调节 Hedgehog 通路刺激人乳腺干细胞自我更新的能力。

在人类和小鼠中，研究人员发现 Bmi1 在增殖的未成熟小脑颗粒细胞祖细胞中表达显著。当 Bmi1 在小鼠中被敲除时，小脑发育受损，导致出生后脑质量大幅下降以及运动功能和行为受损。另一项研究发现，在 Bmi 敲除小鼠中，神经干细胞增殖显著下降，而星形胶质细胞增殖增加。

胚胎发生过程中细胞分化的另一种模型提出，位置信息是通过细胞骨架通过胚胎分化波进行机械信号传导获得的。然后，机械信号通过信号转导系统（包括 Wnt 等特定分子）进行表观遗传转导，导致基因表达差异。

总之，信号在哺乳动物细胞命运的表观遗传调控中的重要性主要不清楚；然而，存在独特的例子表明可能存在进一步类似的机制。

基质弹性效应

已显示成体干细胞可以从其微环境中迁移，附着到新的细胞外基质（ECM），并分化以再生多种组织。这些微环境的延展性因组织类型而异。大脑、肌肉和骨骼结构的周围细胞外基质（ECM）可以是柔性或刚性的。趋化因子信号和细胞间信号并非单独导致干细胞转化为不同类型的细胞。微环境的弹性也可以影响间充质干细胞（MSC，起源于骨髓）的分化。当 MSC 被置于与大脑、肌肉和骨骼 ECM 相同刚度的基质上时，MSC 会呈现出这些相应细胞类型的特征。

基质感应需要细胞在粘着斑处拉扯基质，导致细胞力学传感器发送信号，告知它变形基质所需的力。为了确定 MSC 中基质弹性驱动的谱系识别的关键参与者，对多种基质微环境进行了建模。这些测试得出的结论是，MSC 粘着斑是感知基质弹性变化的细胞力学传感器。非肌球蛋白 IIa-c 亚型在细胞内产生应力，导致早期分化信号的产生。非肌球蛋白 IIa 提供的力最小，然后增加到非肌球蛋白 IIc。

例如，Blebbistatin 是一种非肌球蛋白 II 的细胞抑制剂。这使得细胞几乎对周围的基质“失明”。研究人员通过在没有扩散因子的情况下使用软基质，在 HEK 239 细胞中产生干细胞样性状方面取得了一些成功。干细胞性状似乎与细胞肌动蛋白网络的应力有关。一种已知的基质诱导分化方法是张力诱导蛋白，它们会响应机械应力重排染色质。RhoA 通路也参与了这个过程。