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
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
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。
由全能幹細胞〔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〕的胚胎幹細胞〔embryonic stem cells〕、胎兒〔fetus〕的胎兒幹細胞〔fetal stem cells〕和成人〔adult〕的成體幹細胞〔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）。
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）。
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。
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。
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。
更新紀錄
2023/09/25 發佈本文
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