2.8. 细胞分化与胚胎发育¶
个体发育时，由一种相同细胞类型经细胞分裂后再形态、结构、功能形成稳定性差异，产生不同细胞类群的过程称细胞分化（cell differentiation）；分化的关键在不同类型细胞中特异性蛋白质的合成，实质为基因在特定时间、空间中的选择性表达。
凡是生命皆会逝去，细胞作为生命的基本单位也是如此；对于单细胞生物，细胞死亡（cell death）即个体死亡；对于多细胞生物，细胞死亡是维持生物体正常生长发育、生命活动的必要条件，形式多样：细胞凋亡（apoptosis）、坏死（necrosis）、自噬性细胞死亡（autophagic cell death）等。
衰老（aging）具多层次：个体衰老、细胞衰老（cell aging）、细胞器衰老、生物大分子衰老等。
对于细胞衰老、细胞死亡是不同的生理过程，具不同的分子机制。
2.8.1. 细胞分化¶
细胞分化是由于细胞选择性表达特有的专一性蛋白质导致细胞形态、结构、功能差异；不同类型细胞表达特异基因，产物即决定细胞形态结构，也执行特定功能。
分化细胞基因组表达的基因可分：管家基因、组织特异性基因（tissue-specific gene）。
管家基因：所有细胞中均表达的一类基因，其产物维持细胞基本生命活动；常在S期早期复制。
组织特异性基因/细胞类型特异性基因（cell type-specific gene）：不同类型细胞中特异表达的基因，富裕各类型细胞特异的形态结构特征与特异的功能；常于S期早期复制，非表达细胞则于S期晚期复制。
分化程序由有限、少量的调控蛋白启动而产生众多特异细胞类型；为组合调控（combinational control），即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同参与完成。
起决定作用的调控蛋白基因成主导基因（master gene），主导基因表达可启动分化过程。
单细胞生物的细胞分化与多细胞生物相比，多为适应外界环境改变，多细胞生物则是经细胞分化构建执行不同功能的组织、器官。
转分化（transdifferentiation）：一种类型的分化细胞转变为另一种类型的分化细胞现象；涉及去分化（脱分化）、再分化过程。去分化：分化细胞失去其特有结构、功能变成具未分化细胞特征的过程。
再生现象（regeneration）：广义上包括细胞水平、组织器官水平、个体水平的再生；常指生物体缺失部分重建的过程，缺失处细胞去分化成间充质/成纤维细胞样细胞团，即再生芽基（regeneration blastema），再分化成相应结构。
2.8.1.1. 细胞全能性与多能干细胞¶
细胞全能性（totipotency）：细胞经分裂、分化后仍具完整集体的潜能、特性；动物受精卵/卵裂早期胚胎细胞、植物体细胞等是具全能性细胞；动物细胞核则表现全能性。多能性（pluripotency）：高等动物细胞随胚胎发育、细胞分化，细胞逐渐丧失发育成个体能力，仅具分化成特定细胞类型的潜能。
诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell，iPS cell）：向小鼠成纤维细胞中转入4种基因（Oct4、Sox2、c-myc、KLF4）可诱导产生多能干细胞，性质与胚胎干细胞类似。
干细胞（stem cell）：具分化潜能的细胞；是机体中具自我跟新、多向分化潜能且具形成克隆能力的一类细胞。
依分化潜能分：全能干细胞（totipotent stem cell）、多能干细胞（pluripotent stem cell）、单能干细胞（unipotent stem cell）。
依来源分：胚胎干细胞（embryonic stem cell）、成体干细胞（adult stem cell）/组织干细胞。
2.8.1.2. 影响分化的因素¶
基因选择性表达主要受调节蛋白启动，调节蛋白的组合是影响细胞分化的主要直接因素；通常受胞外信号相同调控（经细胞信号转导调控网络起作用）。
影响因素：受精卵胞质不均一性、胞外信号分子、胞间相互作用及位置效应、细胞记忆与决定、环境对性别的决定、染色质变化与基因重排。
决定子（determinent）：影响卵裂细胞分化方向的胞质成分；生殖质（germplasm）。
近旁组织相互作用（proximate tissue interaction）/胚胎诱导（embryonic induction）：早期胚胎发育过程中，部分细胞可影响周围细胞使其向一定方向分化，主要经细胞旁分泌的信号分子实现；如眼发生中的逐级诱导。
位置效应（position effect）：改变细胞所处位置可导致细胞分化方向改变。决定（determination）：一个细胞接受某种指令，在发育时此细胞及其子代细胞将区别于其它细胞而分化成某种特定细胞类型，在形态、结构、功能等分化特征尚未显现钱已确定细胞分化命运。
2.8.2. 胚胎发育中的分化¶
发育（development）：后生生物由单细胞至多细胞的过程，最终形成成熟个体。原生生物（protozoan）仅由单个细胞构成；后生生物（metazoan）由多细胞构成；两者均始于单细胞。后生生物发育从单细胞的受精卵（fertilized egg）/合子（zygote）到多细胞胚胎，再到成体的过程，是受精密调控的细胞分裂、迁移、分化、凋亡的过程，细胞分化是发育的基础、核心。
2.9. 细胞衰老与死亡¶
2.9.1. 细胞死亡¶
细胞死亡常受胞内遗传机制决定的“死亡程序”控制，要求特定基因表达的主动过程；常称程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD），特指个体发育过程中发生的某类细胞大量死亡；包括：凋亡、坏死、细胞自噬导致的自噬性细胞死亡，3者特征、机制、生理意义各不相同。
2.9.1.1. 细胞凋亡¶
细胞凋亡（apoptosis）：细胞转化为笑的细胞质团，胞质团是由质膜包裹的细胞碎片（胞器、染色质）组成，胞内溶酶体完整，细胞从周围组织脱落后被吞噬，机体无炎症反应；是受基因调控的主动生理性自杀行为。
2.9.1.1.1. 特征¶
经典凋亡过程在形态学上分：凋亡起始、凋亡小体形成、吞噬。
凋亡起始时：细胞表面特化结构（微绒毛等）消失，胞间接触消失，胞膜完整具通透性；线粒体大致完整，核糖体与ER逐渐脱离，ER囊腔膨胀逐渐与质膜融合；核内染色质固缩成新月形帽状结构沿核膜分布。
凋亡小体（apoptotic body）：核染色质断裂为不等片段与某些胞器聚集，由反折质膜包裹成球形结构。
凋亡小体由邻近细胞、吞噬细胞吞噬，由溶酶体分解；最重要特征是细胞膜始终保持完整，内含物不泄露，不引起炎症反应，凋亡过程迅速。
2.9.1.1.2. 检测¶
形态学观察：台盼蓝（trypan blue）可是死细胞着色，但无法进入活细胞；DAPI为常用与DNA结合的荧光染料（可观察核形态变化）；吉姆萨（Giemsa）染色法可使染色质着色，于普通光镜下观察染色质固缩、趋边化、凋亡小体形成等凋亡过程。
DNA电泳：凋亡时胞内特异性核酸内切酶活化使DNA降解为大小不等片段（180-200bp或其倍数），经电泳可呈梯状条带（DNA lad-ders）。
DNA断裂的原位末端标记：由酶介导的dUTP缺口末端标记测定（TUNEL），可对DNA断裂缺口的3’-OH原位标记（正常极少）。
彗星电泳法（comet assay）：将单个细胞悬于凝胶经裂解后短时电泳染色；凋亡细胞中DNA片段速度快使胞核呈彗星式图案（正常保持圆球形）。
流式细胞分析：凋亡细胞DNA呈亚二倍体状态，经染色可被检出。胞膜成分分析：凋亡时质膜内侧PS翻转至外膜，经特异性荧光探针可检测。
2.9.1.1.3. 意义¶
细胞凋亡在正常发育、维持自稳态、免疫耐受的形成、肿瘤监控等过程发挥重要作用；发育过程中，细胞凋亡是塑造个体、器官形态的机制之一；是生理性保护机制，清除体内多余、受损、危险细胞且不对周围细胞、组织产生损害；人体细胞凋亡失调（不恰当凋亡激活/抑制）可引发疾病；细胞过度凋亡将导致免疫功能丧失/引发炎症。
2.9.1.1.4. 机制¶
诱导细胞凋亡的因子可分：物理性因子、化学性因子等；凋亡诱导因子刺激下，凋亡途径可分：凋亡信号接收、凋亡相关分子活化、凋亡执行、凋亡细胞清除。
蛋白酶caspases（cysteine aspartic acid specific protease）家族在凋亡中发挥重要作用，经此方式的称caspases依赖性细胞凋亡；同时胞中还存在不依赖caspases凋亡的途径，受刺激时常同时激活。
caspases可特异切割Asp残基后的肽键（活性位点含Cys），使靶蛋白失活或活化；分：起始caspases（感知凋亡刺激，切割效应caspases前体）、效应caspases（切割核内、胞质中结构蛋白、调节蛋白，失活/活化）及不直接参与凋亡信号传递而介导白介素-1β前体活化（111）。起始caspases经同性活化（homo activation）即同种酶分子结合后复合物构象改变而被活化。效应caspases经异性活化（hetero-activation）即由已活化的起始caspases切割酶原形成。
经caspases活化的：CAD核酸酶（caspase activated DNase），未活化时与ICAD（inhibitor of CAD）结合，活化时降解ICAD，CAD切割DNA；失活的PARP：PARP可识别损伤DNA片段，失活后细胞对DNA降解敏感度下降；效应caspases还可切割骨架蛋白（改变细胞形态、形成凋亡小体）等，核纤层蛋白、核孔蛋白、黏着斑激酶（FAK）等。
哺乳动物细胞中，caspases依赖性的细胞凋亡主要经：由死亡受体起始的外源途径、由线粒体起始的內源途径。
死亡受体介导的细胞凋亡起始于死亡配体与受体的结合，配体主要为肿瘤坏死因子（TNF）家族成员（主要由激活的单核-巨噬细胞分泌）；受体（TNF-R1、Fas、DR3/4/5/6、EDA-R等）胞质侧均具死亡结构域招募凋亡信号通路的信号分子。配体与Fas结合后聚合Fas经胞质侧死亡结构域与FADD、caspase-8形成死亡诱导信号复合物（death inducing signaling complex，DISC），caspase-8经同性激活激活caspases途径导致细胞凋亡。
激活的caspase-8经切割Bid将凋亡信号传递至线粒体，引起凋亡内源途径。内源途径中，线粒体位于中心地位；细胞受内部信号（不可修复的DNA损伤）、外部凋亡信号刺激时，线粒体外膜通透性改变，释放凋亡相关因子（Cyt c等）。线粒体外膜通透性受Bcl-2蛋白家族（3个亚族）调控：细胞接受凋亡信号后，促凋亡因子Bax、Bak寡聚化，从胞质转移至线粒体外膜，与膜上电压依赖性阴离子通道（VDAC）互作，开放通道使得凋亡因子释放至胞质。caspases级联激活还可能与其它胞器关联。
凋亡诱导因子（apotosis inducing factor，AIF）：caspases非依赖性细胞凋亡蛋白，于线粒体外膜；凋亡时从线粒体释放至基质进入核内引起核内DNA凝集并断裂（片段约5×104bp）。限制性内切核酸酶G（endonuclease G）是线粒体释放的另一因子，负责线粒体DNA修复、复制，凋亡信号刺激时从线粒体释放进入胞核切割核DNA。
细胞免疫时，细胞毒性T淋巴细胞（cytotoxic T lymphocyte）、自然杀伤细胞（natural killer cell）可多途径诱导靶细胞凋亡；分泌Fas与靶细胞结合启动caspases依赖性细胞凋亡外源途径，分泌穿孔蛋白（perforin）-颗粒酶（granzyme）介导细胞凋亡。
细胞增殖、凋亡受严格信号控制：多数细胞需获得存活信号维持生存（由营养因子维持，无信号时激活自杀程序），当细胞直接收到死亡信号时激活自杀程序。
线粒体获得的凋亡信号常源自胞内的转录因子p53；p53是重要的肿瘤抑制基因、促凋亡因子，通常胞内p53活性水平很低，异常生长信号、化疗等可激活，阻断细胞周期甚至引起细胞凋亡；p53依赖性细胞凋亡中，p53激活凋亡正调节因子转录以促进凋亡，抑制抗凋亡因子转录。
2.9.1.2. 细胞坏死¶
细胞受意外损伤（极端理化因素、严重病理刺激）情况下发生，胞内ATP浓度降至无法维持细胞存活水平，使得Na+-K+泵停摆，细胞通透性增高，糖酵解加强胞内酸度升高，ER损伤使得Pr合成受阻，导致溶酶体膜损伤，水解酶释放至基质，质膜破损，内容物释放至胞外，引起炎症反应；细胞坏死过程中染色质无凝集，被随机降解，电泳呈弥散性分布（拖尾）。
细胞坏死可能于免疫反应中发挥重要作用。
2.9.1.3. 自噬性细胞死亡¶
细胞自噬（autophagy）是细胞经溶酶体与双层膜包裹的自身物质融合，降解细胞自身物质的过程。自噬体（autophagosome）是胞内出现的大的双层膜包囊的泡状结构，包裹整个细胞器；与溶酶体融合形成自噬溶酶体（autophagolysosome）。
细胞自噬可使细胞于代谢压力下经降解自身物质为生存提供原料、能量，同时可清理错误折叠蛋白、异常细胞器、病原体等；Atg基因参与。
2.9.1.4. 植物及酵母细胞的程序性死亡¶
植物细胞程序性死亡与动物细胞凋亡最大差异在于，死亡细胞的残余物被胞壁固定于原位由自身液泡水解酶消化。
酵母细胞程序性死亡则与动物细胞凋亡类似。
2.9.2. 细胞衰老¶
细胞衰老（cell ageing，cell senescence）常指复制衰老（replicative senescence，RS），即体外培养的正常细胞经有限次分裂后停止生长，细胞形态、生理代谢活动发生显著改变的现象；核膜内折、染色质固缩、ER蛋白质合成减少、胞内脂褐质积累、细胞间连接减少。
Hayflick界限：正常细胞增殖具有限次数，具一定界限。体外细胞衰老特征：生长停滞、细胞停止分裂，衰老相关β-半乳糖苷酶活化。
2.9.2.1. 衰老机制¶
染色体端粒结构，因复制时母链3’端、子链5’端配对RNA引物切除后产生末端缺失，即子链5’端随复制次数增加而缩短；端粒的缩短可引起p53含量增加，诱导p21表达，抑制CDK活化，使得Rb不被磷酸化，E2F处失活态，细胞无法从G1期进入S期，引发衰老；生殖细胞、癌细胞中存在端粒酶（telomerase）可以自身RNA为模板转录母链末端端粒DNA。
氧化衰老：由生命活动中代谢产生的活性氧成分造成的损伤积累引起；在终末分化细胞中更敏感。
2.9.2.2. 细胞衰老与个体衰老¶
细胞衰老是机体长期演化过程中形成的防止细胞过度生长、癌化的保护机制。细胞与个体间衰老尚无定论。