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細胞分化|第3章 有機體的細胞層次 3.6《解剖學與生理學 2e》

本篇文章由夜黎最後一次更新於2023年9月25日

夜黎

本文章內容基於萊斯大學 OpenStax 的 Anatomy and Physiology 2e,由夜黎重新編輯。(根據本書前言中的創用 CC BY 4.0 聲明

原文傳送門:<3> The Cellular Level of Organization  — 3.6 Cellular Differentiation
索引傳送門:《解剖學和生理學2e》索引頁面

章節目標

學習本章後,你將能夠:

  • 討論〝發育中胚胎的廣義細胞〞或〝成人生物體的幹細胞〞如何分化為特化細胞
  • 區分幹細胞的類別
目錄

前言

像人類這樣的複雜生物體是如何從單一細胞(受精卵)發育成具有成人特徵的大量細胞類型(例如神經細胞、肌肉細胞和上皮細胞)? 在整個發育和成年期,細胞分化的過程導致細胞呈現其最終的形態學〔morphology〕和生理學。 分化〔Differentiation〕是非特化〔unspecialized〕細胞變得特化〔specialized〕,以執行不同功能的過程。

幹細胞

幹細胞〔stem cell〕是一種非特化細胞,可以根據需要無限制地分裂,並且在特定條件下可以分化為特化細胞。 幹細胞依其分化潛力分為幾類。

受精卵〔zygote〕分裂產生的第一個胚胎細胞是最終的幹細胞; 這些幹細胞被描述為全能的〔totipotent〕,因為它們有可能分化成生物體生長和發育所需的任何細胞。

全能幹細胞〔totipotent stem cells〕發育而來的胚胎細胞,它們是胚胎的基本組織層的前體,被分類為萬能幹細胞。 萬能幹細胞〔pluripotent stem cell〕是一種具有分化成任何類型人體組織的潛力,但無法支持生物體全面發育的細胞。 這些細胞隨後變得更加特化,被稱為多能細胞〔multipotent cells〕

多能幹細胞〔multipotent stem cell〕具有分化成給定細胞譜系〔given cell lineage〕或少量譜系〔small number of lineages〕內不同類型細胞的潛力,例如紅血球或白血球。

最後,多能細胞〔multipotent cells〕可以進一步成為特化的寡能細胞〔oligopotent cells〕寡能幹細胞〔oligopotent stem cell〕僅限於成為幾種不同細胞類型中的一種。 相較之下,單能細胞〔unipotent cell〕是完全特化的,只能繁殖以產生更多其自身特定的細胞類型。

幹細胞的獨特之處在於它們還可以不斷分裂和再生新的幹細胞,而不是進一步特化〔specializing〕人類生命的不同階段存在著不同的幹細胞。 它們包括胚胎〔embryo〕胚胎幹細胞〔embryonic stem cells〕、胎兒〔fetus〕胎兒幹細胞〔fetal stem cells〕和成人〔adult〕成體幹細胞〔adult stem cells〕。 成體幹細胞的一種類型是上皮幹細胞〔epithelial stem cell〕,它在皮膚表皮的多層上皮細胞中產生角質形成細胞〔keratinocytes〕。 成人骨髓有三種不同類型的幹細胞:造血幹細胞〔hematopoietic stem cells〕(產生紅血球、白血球和血小板)(圖 3.34); 內皮幹細胞〔endothelial stem cells〕(產生排列在血管和淋巴管上的內皮細胞類型); 和間質幹細胞〔mesenchymal stem cells〕(產生不同類型的肌肉細胞)。

圖 3.34 造血
造血過程涉及多能細胞〔multipotent cells〕分化為血液和免疫細胞。 多能造血幹細胞產生許多不同的細胞類型,包括免疫系統的細胞和紅血球。

分化

當細胞分化(變得更加特化)時,它的大小、形狀、代謝活動和整體功能可能會發生重大變化。 因為從受精卵開始,體內的所有細胞都含有相同的 DNA,那麼不同的細胞類型為何會如此不同呢? 答案類似電影劇本。 電影中的不同演員都會讀同一個劇本,但他們每個人都只讀自己的劇本部分。 同樣,所有細胞都含有相同的完整 DNA,但每種類型的細胞僅“讀取〔reads〕”與其自身功能相關的 DNA 部分。 在生物學中,這被稱為每個細胞的獨特基因表現。

為了使細胞分化成其特殊的形式和功能,它只需要操縱那些將被表達的基因(以及那些蛋白質),而不是那些將保持沉默的基因。 基因“開啟”或“關閉”的主要機制是透過轉錄因子。 轉錄因子〔transcription factors〕是一類〝與 DNA 分子上的特定基因結合並促進或抑制其轉錄〞的蛋白質之一(圖 3.35)。

圖 3.35 轉錄因子調節基因表達
雖然每個身體細胞都包含生物體的整個基因組,但不同的細胞透過使用各種轉錄因子來調節基因表現。 轉錄因子是一種〝影響 RNA 聚合酶與 DNA 分子上特定基因結合〞的蛋白質。
日常連接

幹細胞研究

幹細胞研究旨在尋找〝利用幹細胞再生和修復細胞損傷〞的方法。 隨著時間的推移,大多數成體細胞會經歷老化的磨損,並失去分裂和自我修復的能力。 幹細胞不表現出特定的形態或功能。 成體幹細胞作為大多數組織中的一小部分細胞存在,不斷分裂並可分化成通常由該組織形成的許多特殊細胞。 這些細胞使身體能夠更新和修復身體組織。

人們對誘導未分化細胞變成特化細胞的機制所知甚少。 在實驗室環境中,可以透過改變生長的物理和化學條件,來誘導幹細胞分化為特化細胞。 實驗中使用了幾種幹細胞來源,並根據其來源和分化潛力進行分類。 人類胚胎幹細胞〔human embryonic stem cells〕 (hESC) 從胚胎中提取,具有萬能性〔pluripotent〕。 存在於許多器官和分化組織(例如骨髓和皮膚)中的成體幹細胞是多能性的〔multipotent〕,其分化僅限於這些組織中發現的細胞類型。 從臍帶血〔umbilical cord blood〕中分離的幹細胞也是多潛能性的,乳牙〔deciduous teeth〕(乳牙〔baby teeth〕)的細胞也是。 研究人員最近從小鼠和人類成體幹細胞中開發出誘導性萬能幹細胞〔induced pluripotent stem cells〕(iPSC)。 這些細胞是經過基因重編寫〔genetically reprogrammed〕的多能性成體細胞〔multipotent adult cells〕,其功能類似胚胎幹細胞; 它們能夠產生所有三個胚層的細胞特徵。

由於幹細胞具有分裂和分化為特化細胞的能力,因此它們為糖尿病和心臟病等疾病提供了潛在的治療方法(圖 3.36)。 細胞療法〔Cell-based therapy〕是指〝在生長皿中誘導分化的幹細胞〞將之注射到患者體內以修復受損或破壞的細胞或組織的治療。 細胞療法的應用必須克服許多障礙。 儘管胚胎幹細胞具有幾乎無限範圍的分化潛力,但它們被患者的免疫系統視為外來細胞,並可能引發排斥反應。 此外,透過破壞胚胎來分離胚胎幹細胞也引發了相當大的倫理和法律問題。

圖 3.36 幹細胞
幹細胞具備分化為特定細胞的能力,使它們在治療應用中具有潛在價值,旨在替換不同身體組織中受損細胞。

相較之下,從患者身上分離出來的成體幹細胞不會被身體視為外來細胞,但它們的分化範圍有限。 有些人會儲存孩子的臍帶血或乳牙,儲存這些幹細胞來源以備將來孩子需要時使用。 誘導性萬能幹細胞〔induced pluripotent stem cells〕被認為是該領域的一個有希望的進步,因為使用它們可以避免胚胎幹細胞的法律、倫理和免疫學隱患〔immunological pitfalls〕的問題。


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2023/09/25 發佈本文

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本文作者

腰痛十餘年的普通人。
20歲走上自我療癒的道路。
分享自己的想法與收集的訊息。

致力於將潛意識行為(心理)、認知行為(社會)、人體力學(生理)等等關聯起來,找出導致疼痛的根本原因,並通過自我覺察進行身心療癒。

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