问题概述

单细胞生物到多细胞生物是进化中的关键事件，物种代间遗传不再基于所有个体的细胞进行，因此细胞出现了特化的可能性和特化的需求，由此带来个体结构基于细胞-细胞空间组成的复杂性提升，从而使多细胞生物能够产生更多功能。因此，多细胞生物具备以下特征：1）个体的所有细胞具备本质相同的遗传信息；2）发育过程产生了细胞的特化；3）特化产生了新的细胞功能；4）通过不同功能的特化细胞组织起具备生物学功能的上层多细胞组织、器官等结构。从这里可以看出，具备本质相同遗传信息的细胞的特化过程，是整个多细胞生物个体功能形成、进化的根本。这一特化过程进行广泛定义，即为细胞命运决定，其机制研究涉及到发育生物学、细胞生物学、遗传学等学科的根本科学问题。

产生背景：

细胞命运决定问题首先产生在发育生物学中，有性生殖的多细胞生物，整个个体产生自一个合子细胞。然而在个体发育过程的细胞分裂中，细胞的发育潜能逐渐受到限制，并由不同细胞展示出多种合子细胞不具备的细胞功能，这一过程称为细胞特化。通过移植实验，可以发现细胞特化存在不可逆节点，称为细胞命运决定。对该过程决定机制的研究有力地促使了发育过程的形式化研究、关键转录调控的研究（如Homeobox gene的发现）、以及关键信号转导通路的研究，对发育生物学、细胞生物学、分子生物学的相关领域起到了关键推动作用。

随着遗传学的发展，科学家了解到合子细胞携带了产生个体的所有遗传信息，然而细胞特化后在不同细胞中，遗传信息无疑不是均等展示的，因而就有了两个假说：一是细胞特化过程伴随这遗传信息的丢失；二是所有细胞仍保留遗传信息，只是遗传信息存在不均等展示的机制。因此细胞命运决定成为遗传学的基本问题。1962年，Gurdon通过核移植实验证实青蛙成体细胞核具备形成克隆个体的能力，从而证明细胞特化过程并不依赖于遗传信息变化。随后，转录调控、表观遗传学等分支学科的进展，有力地阐明了遗传信息在细胞命运决定过程中不均等展示的基本机制。

因此，细胞命运决定机制问题发展为一个与细胞生物学、发育生物学、遗传学等多个生物学基础学科均有重要联系的基本生物学科学问题，并在该问题的研究中，极大地推进了相关学科的发展，也革新了我们对生物学的认知。

最新进展和前沿问题：

随着干细胞的应用和再生医学概念的提出，操纵细胞命运决定成为重要的生物技术需求，目标是治愈一系列传统医学手段难以治疗的与功能细胞、组织、器官退化衰竭损伤相关的疾病。在此需求的带动下，胚胎干细胞建立及定向分化技术、哺乳动物的体细胞克隆技术和诱导多能干细胞技术相继诞生，科学家不仅掌握了在体外模拟发育程序的方法，还掌握了逆转发育程序的重编程方法，从而形成了操纵细胞命运的主线闭环。

在这一过程中掌握了许多发育过程如原肠作用、体节形成的标志和主要诱导因素：内在因素以转录调控网络而被熟知，并通过诱导多能干细胞及后续的转分化研究确定了转录因子为主要的细胞命运转化驱动力；外在因素则以信号转导为基础，对发育过程的形态决定和命运诱导程序做出了关键诠释。然而，以这些知识和理解为基础，仍然难以在体外获得与发育程序等同的功能细胞，例如造血干细胞、胰岛β细胞、肝实质细胞等，提示有更多的因素参与了细胞命运决定过程，而期间的重要理论亟待阐述。

目前的前沿难点包括：

1. 哺乳动物着床后的发育过程，尤其是人类大脑的发育过程（难点在于着床后发育的在体特征，以及人类大脑的特殊性、重要性无法用模式动物代替）；

2. 利用单细胞分辨率的高通量信息重构解析动态的细胞命运变化过程（难点在于信息收集技术，及复杂信息的动态路径重构）；

3. 具备体内功能的指定功能细胞获得技术；

4. 更高级结构如组织、器官的形成模式和体外重现；

5. 信号转导、表观遗传和转录调控组成的分子生物学网络参与细胞命运决定的机制；

6. 细胞分裂、细胞-细胞连接、细胞-基质连接、细胞信号转导、细胞运输、细胞代谢、细胞迁移等细胞生物学机制参与细胞命运决定的机制；

7. 真核生物染色质高级结构与细胞命运之间的联系；

8. 发育疾病从基因型到表型的详细致病原因；

9. 细胞命运决定的数字化模拟；

10. 细胞命运操纵技术的再生医学综合应用。

重要意义

细胞命运决定机制的研究涉及细胞生物学、发育生物学、遗传学等多个生物学基础学科，通过研究解决其中的难点，能够带动多学科的技术以及基础研究的进步，而根据研究需求，数学、物理学、化学、计算机科学等也将加入该科学问题的研究之中，极大程度上突破对于生命科学的认识，实现自主操纵细胞乃至个体的命运。而我们对于细胞命运决定机制的深入，能够加深对于疾病、衰老等发生发展的认识，能够使再生医学更加有效的服务于人类健康。