第三節(jié)　細(xì)胞分化與衰老

一、細(xì)胞分化

多細(xì)胞有機(jī)體在個(gè)體發(fā)育過(guò)程中，由相同的細(xì)胞類(lèi)型經(jīng)細(xì)胞分裂后逐漸在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能上形成穩(wěn)定性差異，產(chǎn)生不同的細(xì)胞類(lèi)群的過(guò)程稱(chēng)為細(xì)胞分化。

細(xì)胞分化是動(dòng)、植物發(fā)育的基礎(chǔ)，大量地出現(xiàn)在成年階段以前的發(fā)育過(guò)程中，但是一部分細(xì)胞的分化持續(xù)于整個(gè)生物體一生。例如，哺乳類(lèi)的骨髓中，終生都在發(fā)生血細(xì)胞的分化成熟。

受精卵具有發(fā)育成完整個(gè)體的全能性。一般來(lái)說(shuō)，隨著細(xì)胞分化程度的不斷提高，細(xì)胞發(fā)育潛能逐漸變窄。在植物細(xì)胞方面，高度分化的植物細(xì)胞仍具有全能性。1937年，美國(guó)科學(xué)家懷特成功地配制出植物細(xì)胞的培養(yǎng)基，它能使胡蘿卜的一小段根分裂并形成愈傷組織。1958年，美國(guó)科學(xué)家斯蒂伍德把胡蘿卜根的細(xì)胞分開(kāi)放在培養(yǎng)基上培養(yǎng)，長(zhǎng)出了一株株的小胡蘿卜。利用植物組織或細(xì)胞培養(yǎng)新的植物體的技術(shù)稱(chēng)為植物組織培養(yǎng)技術(shù)。

二、干細(xì)胞

在一般情況下，特別是對(duì)高等動(dòng)物而言，隨著胚胎發(fā)育，細(xì)胞逐漸喪失了發(fā)育成為個(gè)體的能力，僅具有分化成有限的細(xì)胞類(lèi)型和構(gòu)建組織的潛能，這種潛能稱(chēng)為多潛能性。具有多潛能性的細(xì)胞稱(chēng)為干細(xì)胞。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)細(xì)胞分化的發(fā)育潛能，可以將干細(xì)胞分為三種類(lèi)型。

（1）全能性干細(xì)胞：受精卵具有使后代細(xì)胞分化出各種組織細(xì)胞并建成完整個(gè)體的潛能，這種情況稱(chēng)為全能性。具有全能性的細(xì)胞稱(chēng)為全能性干細(xì)胞。

（2）多能性干細(xì)胞：有的細(xì)胞具有使后代細(xì)胞分化出各種組織細(xì)胞的潛能，但已不能建成完整的個(gè)體，這樣的情況稱(chēng)為多能性，具有多能性的細(xì)胞稱(chēng)為多能性干細(xì)胞，如多能性造血干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞、生殖嵴干細(xì)胞。

（3）單能性干細(xì)胞：有的細(xì)胞具有更窄的發(fā)育潛能，僅具有分化成一種細(xì)胞的潛能，這樣的細(xì)胞稱(chēng)為單能性干細(xì)胞，如單能性造血干細(xì)胞。

干細(xì)胞經(jīng)過(guò)培養(yǎng)后分化形成的特異細(xì)胞可以用于組織和器官的修復(fù)再生。

三、細(xì)胞衰老與凋亡

（一）細(xì)胞衰老

細(xì)胞也同生物體一樣，有一定的壽命，在生命后期活力自然減退直至最后喪失的不可逆過(guò)程，即為細(xì)胞衰老。在生物體內(nèi)，大多數(shù)細(xì)胞都要經(jīng)歷未分化、分化、衰老到死亡的歷程。因此，細(xì)胞總體的衰老反映了機(jī)體的衰老，而機(jī)體的衰老是以總體細(xì)胞的衰老為基礎(chǔ)的。生物體內(nèi)的細(xì)胞不斷地衰老與死亡，同時(shí)又有細(xì)胞的增殖與新生進(jìn)行補(bǔ)充。這不僅發(fā)生在胚胎發(fā)育過(guò)程中，在成體內(nèi)的各組織器官中也有細(xì)胞的死亡。所以，細(xì)胞的衰老和死亡是正常的發(fā)育過(guò)程，也是生物體發(fā)育的必然結(jié)果。

衰老細(xì)胞在結(jié)構(gòu)和功能上會(huì)發(fā)生一系列的變化，如核膜內(nèi)折、染色質(zhì)固縮、線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)均有減少的趨勢(shì)，膜流動(dòng)性降低，初級(jí)溶酶體增多等。目前，對(duì)細(xì)胞衰老機(jī)制有多種解釋?zhuān)爬ㄆ饋?lái)主要有兩個(gè)方面。

1．端粒與細(xì)胞衰老

端粒是線性染色體末端的一種特殊結(jié)構(gòu)，由特定的DNA序列和蛋白質(zhì)組成。端粒DNA是由一種特殊的酶——端粒酶合成的。當(dāng)DNA復(fù)制時(shí)，由于DNA聚合酶只能由5′→3′方向進(jìn)行復(fù)制，且必須要RNA引物，這樣DNA每復(fù)制一次，則其5′端的端粒便會(huì)縮短一截，從而提出關(guān)于細(xì)胞衰老的“有絲分裂鐘”假說(shuō)，很多實(shí)驗(yàn)支持這一假說(shuō)。但是另一些實(shí)驗(yàn)表明，端粒的縮短雖然可導(dǎo)致細(xì)胞衰老，但細(xì)胞衰老不僅僅是端粒縮短的結(jié)果。

2．氧化性損傷與細(xì)胞衰老

在細(xì)胞利用氧分子，獲得能量的同時(shí)，也有2%～3%的氧分子轉(zhuǎn)化成過(guò)氧化氫（H2O₂）和羥自由基（·OH）。這些活性氧自由基對(duì)細(xì)胞中的DNA、RNA和蛋白質(zhì)等均會(huì)造成較大的損傷。雖然細(xì)胞內(nèi)存在抗氧化的防御機(jī)制，但不可能在任何生理狀態(tài)下都能完全有效地清除活性氧自由基的損傷。氧化損傷的積累造成細(xì)胞乃至機(jī)體的衰老?；钚匝踝杂苫饕诰€粒體產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)表明，限制能量的攝入可降低線粒體中過(guò)氧化氫和超氧陰離子產(chǎn)生的速率，明顯延長(zhǎng)小鼠和大鼠的壽命。

（二）細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡是指多細(xì)胞生物體內(nèi)的某些細(xì)胞按一定程序自我毀滅并將細(xì)胞裂解成許多用膜包被的小碎片的主動(dòng)死亡過(guò)程。細(xì)胞凋亡又常稱(chēng)為程序性細(xì)胞死亡，二者雖有一定的差別，但常?；ビ?。

細(xì)胞凋亡過(guò)程中會(huì)發(fā)生一系列的形態(tài)學(xué)變化：細(xì)胞體積縮小，原生質(zhì)凝縮；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)變疏松并與細(xì)胞膜融合；核糖體、線粒體等細(xì)胞器聚集；細(xì)胞核固縮，染色質(zhì)凝聚。此后，胞膜不斷出芽、脫落，細(xì)胞變成若干個(gè)大小不等的由膜包裹的凋亡小體。最終，凋亡小體被巨噬細(xì)胞、上皮細(xì)胞等吞噬而從組織中清除。在細(xì)胞凋亡的過(guò)程中，細(xì)胞內(nèi)容物一直為質(zhì)膜包被而不會(huì)釋放出來(lái)，因此不會(huì)引起周?chē)M織細(xì)胞的損害。

細(xì)胞死亡的另一種形式是細(xì)胞壞死，即細(xì)胞受到急性強(qiáng)力傷害時(shí)立即出現(xiàn)的早期反應(yīng)。細(xì)胞壞死與凋亡有著本質(zhì)的區(qū)別，壞死細(xì)胞的早期變化是細(xì)胞和線粒體腫脹，繼而細(xì)胞膜發(fā)生裂解、滲漏，使內(nèi)容物（多為蛋白水解酶）釋放到胞外，導(dǎo)致周?chē)M織的炎癥反應(yīng)，并在愈合過(guò)程中常伴隨組織器官的纖維化形成瘢痕。

細(xì)胞凋亡對(duì)生物的正常發(fā)育和生存都是至關(guān)重要的。例如，小蝌蚪長(zhǎng)成青蛙時(shí)，其尾巴會(huì)逐漸消失，原來(lái)構(gòu)成尾巴的細(xì)胞都會(huì)凋亡，其中的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到身體的其他細(xì)胞中。生物體受到創(chuàng)傷時(shí)，一些遭受重創(chuàng)、不可能再修復(fù)的細(xì)胞也能干凈利落地迅速凋亡，隨后由健康細(xì)胞加速分裂產(chǎn)生的新細(xì)胞所取代。人體的免疫系統(tǒng)在病菌入侵時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量淋巴細(xì)胞吞噬病菌。而一旦病菌被消滅，繼續(xù)存在大量淋巴細(xì)胞則可能對(duì)人體的正常細(xì)胞造成危害，因此，過(guò)剩的淋巴細(xì)胞需要以細(xì)胞凋亡的形式迅速消失。

細(xì)胞凋亡具有復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制，凋亡過(guò)程的紊亂會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果。據(jù)研究，細(xì)胞凋亡過(guò)少可能與白血病等免疫系統(tǒng)疾病和癌細(xì)胞的異常增殖有關(guān)，而細(xì)胞凋亡過(guò)多又可能與中風(fēng)患者和老年性癡呆患者的腦組織損傷有關(guān)。深入研究細(xì)胞凋亡機(jī)制，有可能找到針對(duì)上述嚴(yán)重疾病的新的治療手段和新藥物，具有極大的潛在應(yīng)用價(jià)值。因此，近年來(lái)細(xì)胞凋亡已成為現(xiàn)代生物學(xué)最熱門(mén)的研究領(lǐng)域之一。