发育中的细胞分化

定向细胞如何获得特定成熟细胞类型的特化结构、基因表达和功能。

Definition

发育中的细胞分化是指定向前体细胞表达细胞类型特异性基因集，并获得发育中生物体内成熟特化细胞的形态和功能的过程。

Scope

本主题涵盖分子的分化实现：主调控转录因子、细胞类型特异性基因表达程序的建立、这些程序的表观遗传稳定以及分化、分裂和细胞周期退出之间的关系。它还探讨了通过重编程和转分化揭示的分化状态的可塑性。

Core questions

• 细胞类型特异性基因表达程序是如何启动和稳定的？
• 主调控转录因子在分化中扮演什么角色？
• 表观遗传修饰如何在细胞分裂过程中维持分化状态？
• 分化状态的可逆性或灵活性如何？

Key theories

主调控因子和基因调控网络

细胞类型由作用于基因调控网络顶端的转录因子建立，这些因子启动一系列细胞类型特异性基因；在某些情况下，单个此类因子可以将一种分化细胞类型重定向为另一种。

分化状态的可塑性和重编程

分化通过持续的调控和表观遗传输入而非永久性遗传改变来维持，因此特定因子组合可以将分化细胞重置为多能状态。

Mechanisms

一旦细胞定向，主调控转录因子就会激活下游基因网络，产生定义细胞类型的蛋白质，同时抑制替代命运的程序。分化通过表观遗传修饰（DNA甲基化和组蛋白标记）和染色质重组得到加强，这些修饰和重组使表达模式通过分裂可遗传。许多细胞类型在终末分化时退出细胞周期。然而，这种状态并非绝对：适当因子的实验性表达可以驱动细胞类型之间的转分化或完全重编程至多能性，这表明基因组保持完整，并且调控输入决定了细胞身份。

Clinical relevance

干细胞定向分化为特定细胞类型是再生医学和疾病建模的核心，而正常分化的丧失是许多癌症的标志。本条目为教育性质，不提供医疗指导。

History

沃丁顿的表观遗传景观图像捕捉了细胞沿着分支路径滚向分化状态的理念。核移植实验表明分化细胞核保留了全部潜能，后来通过特定因子诱导多能性证实了分化原则上是可逆的。

Key figures

• Conrad Waddington
• John Gurdon
• Shinya Yamanaka

Seminal works

• takahashi2006
• gilbert2016

Frequently asked questions

是什么阻止分化细胞变成另一种类型？

稳定的基因表达模式，通过表观遗传标记加强，锁定细胞的身份并传递给子细胞，因此细胞类型通常得以维持。

分化细胞可以重置吗？

可以——实验表明，提供一组特定的转录因子可以将分化细胞重编程回多能状态，因为其基因组保持完整。