细胞全能性和细胞核全能性 体细胞克隆羊的诞生在全世界掀起了动物克隆热, 它表明了动物体细胞的细胞核具有发育全能性; 干细胞研究的突破使人们对细胞的发育全能性有了一个崭新的认识, 即成熟组织中也存在具有全能性的干细胞, 那么细胞全能性和细胞核全能性是否具有相同的含义呢? 一、 细胞全能性和细胞核全能性是两个不同的概念 全能性最早用于动物胚胎学, 是指分裂球发育成为完整胚的能力。 现在所谓的全能性问题指与合子具有相同遗传内容的体细胞、 胚胎细胞或它们的细胞核是否也同合子一样具有相同的发育潜能, 即细胞发育全能性和细胞核发育全能性问题。 所谓细胞全能性, 是指细胞如受精卵一样, 具有经过分裂、 分化形成各种组织和细胞, 最终发育成一个完整的个体的能力;细胞核全能性则指细胞虽不具备发育成一个完整个体的能力, 但是当将其细胞核通过核移植等方法导入去核的卵细胞或受精卵, 经过受体卵细胞质的诱导去分化、 体细胞核和受体卵细胞质共同作用, 依然可能发育成一个完整的个体。 因此, 细胞全能性和细胞核全能性是两个完全不同的概念, 不能混为一谈。 细胞核的全能性并不代表细胞具有全能性。 二、 植物体细胞具有全能性 无性繁殖技术, 即利用营养器官进行植物栽培, 在生产实践中已经有上千年的历史。 例如, 用马铃薯的块根和番薯的块茎进行栽培可以得到完整植株, 还有我们常说的“无心插柳柳成荫” 也都是无性繁殖的真实写照。 虽然科学家隐隐约约认识到植物体细胞具有全能性,但是由于实验技术的限制, 真正用科学的试验方法证明植物的组织和体细胞具有全能性, 则是 20 世纪 50 年代的事。 1902 年, 德国植物学家 HabeaHandt 就指出, 植物的体细胞含有母细胞的全部遗传信息,具有发育成完整植株个体的潜能。 因而每个植物细胞都像胚胎一样, 经离体培养能再生出完整植株。 以后许多科学家为证实这一论断做了不懈的努力。 1958 年, Steward 等将高度分化的胡萝卜根的韧皮部组织细胞放在合适的培养基上培养, 发现根细胞会失去分化细胞的结构特征, 发生反复分裂, 最终分化成具有根、 茎、 叶的完整的植株; 1964 年, Cuba 和 Mabesbwari利用毛叶曼陀罗的花药培育出单倍体植株; 1969 年 Nitch 将烟草的单个单倍体孢子培养成了完整的单倍体植株; 1970 年 Steward 用悬浮培养的胡萝卜单个细胞培养成了可育的植株。 至此, 植物分化细胞的全能性得到了充分论证, 建立在此基础上的组织培养技术也得到了迅速发展。 三、 低等动物的细胞和高等动物早期胚胎细胞具有发育全能性 低等的动物细胞也具有发育成完整个体的全能性。 如高再生能力的典范——海鞘, 它的一个血细胞就可产生一个完整的个体。 后生动物中还有几类动物拥有强大的再生能力, 如海绵、 腔肠动物及大多数涡虫纲动物, 具有“冰生” 能力的水螅身体的一部分就能重新生成一个完整的新个性。 虽然它们的再生各有特点, 但是与组成身体的分化细胞高可塑性是分不开的。 为证明高等动物的早期胚胎细胞同样具有发育全能性, Roux W(1888) 作了开创性的工作。 他用一根烧烫的针破坏蛙 2-细胞胚胎中的其中一个细胞, 以证明胚胎中的两个细胞的分化差异以及胚胎的发育情况。 结果他发现被破坏的细胞不再继续发育, 而存活的另一个细胞则只能进一步发育成胚胎的左半部分或右半部分。 Roux 据此认为这证明了从 2-细胞时期起, 胚胎两个分裂球未来的发育命运就已经被确定, 毁掉一个细胞, 另一个只能形成半个胚胎。 然而这个开创性的实验得出的结论却是错误的, 原因可能是烧烫的针对胚胎的一部分造成了 不可逆转的损伤, 活的分裂球接触到死的分裂球从而影响了进一步的发育。 1933年, Schmidt 完全重复了 Roux 所做的蛙的实验。 他把烫死的一个分裂球去掉, 使存活的分裂球不受烫伤细胞的影响, 结果存活的分裂球也能发育成完整的胚胎。 以后的相关实验都证明动物的早期 2-细胞胚胎或 4-细胞胚胎的单个细胞都具有细胞全能性, 如 1942 年就证明了大鼠的 2-细胞胚胎期的单个卵裂球能够发育成为幼体鼠, 具有发育全能性; 1968 年又证明了兔 8-细胞期的胚胎细胞仍然具有发育的全能性。 但是由于不同动物的胚胎在发育程度的分化时间上是不相同的, 因此什么时期以前的胚胎细胞具有发育全能性因动物种类的不同而不同。 四、 高等动物的体细胞核具有发育全能性 与植物和低等细胞相比, 高等动物体细胞的发育潜能有显著差异。 虽然在胚胎发育中,早期胚胎细胞具有发育的全能性, 但随着分化程度的提高, 细胞的发育潜能也逐渐变窄, 细胞的生理活动也逐渐发生了不同的变化, 如细胞的分裂能力逐渐降低, 直至失去分裂能力成为末端分化细胞。 但是通过细胞核移植技术能使高等动物的体细胞核去分化, 重新获得较高的发育能力。1996 年英国罗斯林研究所的 Wilmut 等利用该技术成功获得体细胞克隆羊 Dolly(多莉), 这是第一例利用成年哺乳动物体细胞获得的克隆动物, 因此在全世界引起轰动。 这一结果也为科学家 100 多年来孜孜以求的探索划上了一个完美的句号, 即高等动物体细胞的细胞核具有发育全能性。 在以后不到 4 年的时间里, 体细胞克隆山羊、 牛、 猪、 小鼠相继问世。 体细胞克隆动物的成功表明, 尽管体细胞的分化程度高, 细胞可塑性很低, 但是以受精 卵或卵细胞为受体, 通过核移植后对体细胞核的重新编程, 依然能发育成一个完整的个体。也就是说, 高等动物体细胞的细胞核仍然具有发育的全能性, 只是可塑性很低, 必须在适当的条件下才表现出来。 五、 高等动物的体细胞是否具有全能性? ——一个还没有最后结论的话题 动物克隆的成功只能证明动物体细胞核具有发育全能性, 对于成熟体细胞本身是否也具有发育全能性尚不能完全解释。 然而最近对于细胞研究的一系列新发现表明, 在成熟机体的多种组织中均存在可多向分化的全能细胞——组织干细胞, 不仅刷新了人们对于细胞的传统认识, 而且也使科学家不得不重新认识高等动物体细胞的发育全能性问题。 胚胎干细胞是取自胚胎内细胞团的一类具有发育全能性的细胞, 能在体外长期传代培养而不失去发育的全能性。但是人们很早也发现, 在骨髓组织中也存在具有分化能力的干细胞,它们在血细胞更新、 维持血细胞数量中发挥着重要作用。 后来又发现在皮肤、 肝脏, 甚至在人们认为不可能再生的神经等多种组织中同样发现了组织干细胞。 体外研究进一步证实, 骨髓间充质干细胞还可以分化成脂肪细胞、 神经细胞等; 神经干细胞不仅可以诱导分化神经细胞, 而且还能分化成血液细胞、 肝细胞、 肌细胞。 以往一般认为组织干细胞是胚胎发育过程中遗留并且保存在成熟组织中的原始细胞, 但也有学者认为, 从成熟细胞具有发育潜能的角度来看, 认为这些细胞是成熟组织中具有较强发育逆转潜能, 即在特定条件下可恢复并表现发育阶段细胞特性的一部分体细胞可能更适宜些。 我国学者张颖清 1985 年在其全息理论中指出哺乳动物的体细胞具有发育全能性, 这种潜在的能力在某种条件下可以完全显现。 基于此种观点, 以及现在有关组织干细胞的发育潜能的一系列令人惊讶的全新发现, 表明组织干细胞的发育灵活性还远非目前人类所了解, 也许在未来的研究中会发现在某种特定的条件下, 高等动物体细胞也具有如受精卵一样的发育潜能。 因此, 高等动物的体细胞发育全能性问题可能还没有最后的定论。 资源来源 《中学生物教学》 2003. 01-02