像人类这样的复杂生物体是如何从单一细胞（受精卵）发育成具有成人特征的大量细胞类型（例如神经细胞、肌肉细胞和上皮细胞）？ 在整个发育和成年期，细胞分化的过程导致细胞呈现其最终的形态学〔morphology〕和生理学。 分化〔Differentiation〕是非特化〔unspecialized〕细胞变得特化〔specialized〕，以执行不同功能的过程。
幹細胞
干细胞〔stem cell〕干细胞〔stem cell〕是一种非特化细胞，可以根据需要无限制地分裂，并且在特定条件下可以分化为特化细胞。 干细胞依其分化潜力分为几类。
受精卵〔zygote〕分裂产生的第一个胚胎细胞是最终的干细胞； 这些干细胞被描述为全能的〔totipotent〕，因为它们有可能分化成生物体生长和发育所需的任何细胞。
由全能干细胞〔totipotent stem cells〕发育而来的胚胎细胞，它们是胚胎的基本组织层的前体，被分类为万能干细胞。 万能干细胞〔pluripotent stem cell〕是一种具有分化成任何类型人体组织的潜力，但无法支持生物体全面发育的细胞。 这些细胞随后变得更加特化，被称为多能细胞〔multipotent cells〕。〔multipotent cells〕。
多能干细胞〔multipotent stem cell〕具有分化成给定细胞谱系〔given cell lineage〕或少量谱系〔small number of lineages〕内不同类型细胞的潜力，例如红血球或白血球。
最后，多能细胞〔multipotent cells〕可以进一步成为特化的寡能细胞〔oligopotent cells〕。 寡能干细胞〔oligopotent stem cell〕仅限于成为几种不同细胞类型中的一种。 相较之下，单能细胞〔unipotent cell〕是完全特化的，只能繁殖以产生更多其自身特定的细胞类型。
干细胞的独特之处在于它们还可以不断分裂和再生新的干细胞，而不是进一步特化〔specializing〕。 〔specializing〕。 人类生命的不同阶段存在着不同的干细胞。 它们包括胚胎〔embryo〕的胚胎干细胞〔embryonic stem cells〕、胎儿〔fetus〕的胎儿干细胞〔fetal stem cells〕和成人〔adult〕的成体干细胞〔adult stem cells〕。 成体干细胞的一种类型是上皮干细胞〔epithelial stem cell〕，它在皮肤表皮的多层上皮细胞中产生角质形成细胞〔keratinocytes〕。 成人骨髓有三种不同类型的干细胞：造血干细胞〔hematopoietic stem cells〕（产生红血球、白血球和血小板）（图 3.34）； 内皮干细胞〔endothelial stem cells〕（产生排列在血管和淋巴管上的内皮细胞类型）； 和间质干细胞〔mesenchymal stem cells〕（产生不同类型的肌肉细胞）。
造血过程涉及多能细胞〔multipotent cells〕分化为血液和免疫细胞。 多能造血干细胞产生许多不同的细胞类型，包括免疫系统的细胞和红血球。
分化
当细胞分化（变得更加特化）时，它的大小、形状、代谢活动和整体功能可能会发生重大变化。 因为从受精卵开始，体内的所有细胞都含有相同的 DNA，那么不同的细胞类型为何会如此不同呢？ 答案类似电影剧本。 电影中的不同演员都会读同一个剧本，但他们每个人都只读自己的剧本部分。 同样，所有细胞都含有相同的完整 DNA，但每种类型的细胞仅“读取〔reads〕”与其自身功能相关的 DNA 部分。 在生物学中，这被称为每个细胞的独特基因表现。
为了使细胞分化成其特殊的形式和功能，它只需要操纵那些将被表达的基因（以及那些蛋白质），而不是那些将保持沉默的基因。 基因“开启”或“关闭”的主要机制是透过转录因子。 转录因子〔transcription factors〕是一类〝与 DNA 分子上的特定基因结合并促进或抑制其转录〞的蛋白质之一（图 3.35）。
虽然每个身体细胞都包含生物体的整个基因组，但不同的细胞透过使用各种转录因子来调节基因表现。 转录因子是一种〝影响 RNA 聚合酶与 DNA 分子上特定基因结合〞的蛋白质。
干细胞研究
干细胞研究旨在寻找〝利用干细胞再生和修复细胞损伤〞的方法。 随着时间的推移，大多数成体细胞会经历老化的磨损，并失去分裂和自我修复的能力。 干细胞不表现出特定的形态或功能。 成体干细胞作为大多数组织中的一小部分细胞存在，不断分裂并可分化成通常由该组织形成的许多特殊细胞。 这些细胞使身体能够更新和修复身体组织。
人们对诱导未分化细胞变成特化细胞的机制所知甚少。 在实验室环境中，可以透过改变生长的物理和化学条件，来诱导干细胞分化为特化细胞。 实验中使用了几种干细胞来源，并根据其来源和分化潜力进行分类。 人类胚胎干细胞〔human embryonic stem cells〕 (hESC) 从胚胎中提取，具有万能性〔pluripotent〕。 存在于许多器官和分化组织（例如骨髓和皮肤）中的成体干细胞是多能性的〔multipotent〕，其分化仅限于这些组织中发现的细胞类型。 从脐带血〔umbilical cord blood〕中分离的干细胞也是多潜能性的，乳牙〔deciduous teeth〕（乳牙〔baby teeth〕）的细胞也是。 研究人员最近从小鼠和人类成体干细胞中开发出诱导性万能干细胞〔induced pluripotent stem cells〕（iPSC）。 这些细胞是经过基因重编写〔genetically reprogrammed〕的多能性成体细胞〔multipotent adult cells〕，其功能类似胚胎干细胞； 它们能够产生所有三个胚层的细胞特征。
由于干细胞具有分裂和分化为特化细胞的能力，因此它们为糖尿病和心脏病等疾病提供了潜在的治疗方法（图 3.36）。 细胞疗法〔Cell-based therapy〕是指〝在生长皿中诱导分化的干细胞〞将之注射到患者体内以修复受损或破坏的细胞或组织的治疗。 细胞疗法的应用必须克服许多障碍。 尽管胚胎干细胞具有几乎无限范围的分化潜力，但它们被患者的免疫系统视为外来细胞，并可能引发排斥反应。 此外，透过破坏胚胎来分离胚胎干细胞也引发了相当大的伦理和法律问题。
干细胞具备分化为特定细胞的能力，使它们在治疗应用中具有潜在价值，旨在替换不同身体组织中受损细胞。
相较之下，从患者身上分离出来的成体干细胞不会被身体视为外来细胞，但它们的分化范围有限。 有些人会储存孩子的脐带血或乳牙，储存这些干细胞来源以备将来孩子需要时使用。 诱导性万能干细胞〔induced pluripotent stem cells〕被认为是该领域的一个有希望的进步，因为使用它们可以避免胚胎干细胞的法律、伦理和免疫学隐患〔immunological pitfalls〕的问题。
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