細胞的分化潛能

一、全能性的細胞

細胞的全能性（cell totipotency）是指單個細胞在一定條件下分化發育成為完整個體的能力，具有這種能力的細胞稱為全能性細胞（totipotent cell）。此種現象在植物和低等動物中較常見。如某些植物的單個體細胞，經過體外培養后，可分裂成許多細胞，生長成一個完整的植株。利用細胞全能性，可進行無性繁殖。

一個全能性的細胞，應該具有表達其基因組中任何一種基因的能力，亦即能分化為該種生物體內任何一種類型的細胞。理論上，每個配備了完整基因組的細胞，包括體細胞和生殖細胞，都應該是全能性的。但實際不然，往往是體細胞表達基因的能力比性細胞要低得多。生殖細胞，尤其是卵細胞，盡管分化程度很高，仍然具有較大的潛在全能性，在某些條件下可進行孤雌生殖，由一個卵細胞分化成所有各種類型的細胞。兩性生殖細胞的結合產物──受精卵則表出最高的全能性，任何一個生物體（無性繁殖后代除外）都由合子起源，由此，個體中的每一個形態和機能各異的細胞都是合子產生后代的分化產物。

二、胚胎細胞的分化潛能與決定

人和哺乳動物的胚胎發育經歷大致相同的分化過程。受精后胚胎的早期發育主要包括卵裂（cleavage）、胚泡（blastocyst）形成和宮內植入（implantation）三個階段。隨著分裂和分化的不斷進行，卵裂球細胞數目愈來愈多，細胞之間的分化差異也越來越大。

在絕大多數情況下，受精卵通過細胞分裂直到形成囊胚之前，細胞的分化方向尚未決定。從原腸胚細胞排列成三胚層后，各胚層在分化潛能上開始出現一定的局限性，傾向于只發育為本胚層的組織器官，如外胚層（ectoderm）發育成神經、表皮等；中胚層（mesoderm）發育為肌、骨等；內胚層（endoderm）發育成消化道及肺的上皮等。內、中、外三個胚層的分化潛能雖然進一步被局限，但仍具有發育成多種表型的能力，這時的細胞可稱為多能細胞（pluripotent cell）。經過器官發生，各種組織、細胞的發育命運最終決定，在形態上特化，功能上專一化。胚胎發育過程中逐漸由全能局限為多能，最后成為穩定型單能（unipotency） 的趨向，是細胞分化的普遍規律。因此，細胞分化可以視為分化潛能逐漸限制的過程。

三、體細胞的分化潛能

雖然目前還無法使已分化的高等動物細胞直接再生成完整的個體，但是，許多研究表明高等動物已分化的細胞仍然保持著全套的基因組，并在一定特殊條件下可表現出全能性──細胞核全能性。1964年，Gurdon 成功地將非洲爪蟾的腸上皮細胞核移入去核的爪蟾卵細胞中，發育得到了蝌蚪。說明分化成熟的體細胞核完整地保存著卵和精子細胞核的全部遺傳信息，而卵細胞質則可能對細胞的決定和分化起著關鍵性的作用。到了1996年7月，蘇格蘭Roslin研究所的科學家Wilmut等利用體細胞克隆技術將取自羊乳腺細胞的細胞核植入另一羊的去核的卵細胞中，培育出了世界上第一只克隆動物──“多莉（Dolly）”羊（圖10-2）。

Dolly沒有父親，卻有3個“生母”。科學家從一只母羊（Scottish Blackface母羊）體內取出一個未受精的卵細胞，在體外用極細的玻璃針管先將卵細胞中的細胞核吸出，使之成為無核卵細胞。然后，將無核卵母細胞與取自另一只泌乳量高、品質良好的母羊（Finn Dorset）的乳腺細胞的細胞核進行融合，形成一個含有新遺傳物質的卵細胞，經電流刺激，讓卵細胞誤認為它已經受精了，開始啟動生命機制，分裂發育成胚胎。當胚胎生長到一定程度時再將它植入第三只“代孕母親”的黑臉母羊（Scottish Blackface代孕母親）子宮中，由它孕育并產下克隆羊Dolly。Dolly酷像提供乳腺細胞核的Finn Dorset母羊，這是容易理解的。因為從遺傳的角度來說，提供乳腺細胞核的母羊才是Dolly的母親。但有趣的是，Dolly只把生育它的那只黑臉母羊當作自己的生母。

由于移植的細胞核來自高度分化的乳腺細胞（體細胞），因而引起了全世界的廣泛關注。過去認為，高等動物成熟個體的細胞已經高度分化，絕不可能再像最初的胚胎細胞那樣進行分化。Dolly的誕生猶如一顆威力巨大的核彈頭，將生命科學界長期以來堅信不疑的“金科玉律”擊得粉碎。它揭示了體細胞在去核卵細胞細胞質中能重新啟動編程，從此宣告人類已經進入高等動物體細胞可以進行無性繁殖（克隆）的新時代，被認為是20世紀生命科學研究的一項重大突破。細胞分化究竟在染色體水平造成了什么變化？如果有變化，是否真正不可逆？ 卵細胞質對移入的外來細胞核究竟起了什么作用，如何起作用？分化的細胞核又是如何接受卵細胞質的影響，調整基因的表達順序？上述體細胞克隆技術能否用于“克隆人”和醫療？由此引起的社會后果將會怎樣？這些問題已經成為現今發育生物學的研究和爭論的熱點。