细胞分化（2008级研究生）

1、,细胞分化的分子机制,显微手术和基因组学揭开了发育控制之迷 基因克隆和测序展现出其分子机理 ,中 山 大 学 主讲：杨 中 汉 （）,分子生物学与临床,分子生物学与临床,本章内容：,细胞分化潜能与干细胞 细胞分化与基因组变化 参与细胞分化的信号转导通路 基因表达与组织形成 特异性蛋白基因表达的发育阶段性 基因表达的调控机制（小RNA分子调控） 影响细胞分化的因素 细胞分化异常与疾病,指多细胞生物成长发育中，在一些内在机制作用下，细胞在结构、形态、生理功能及生化特征等方面逐渐产生稳定性差异，成为多种不同的细胞类型，以形成个体不同的组织、器官和系统。 人体约有200种不同的分化细胞,细胞分化 （cell differentiation ）,指细胞分裂和再生的过程，细胞通过分裂进行增殖，使遗传信息传给子代，保持物种的延续和数量增多。,细胞增殖（cell prolifeation ）,增殖与分化紧密相连 增殖过程中分化，分化过程中增殖。 细胞增殖分化异常从本质上讲是基因的调控异常。,细胞分化特征,1 ）判断细胞分化指标：细胞形态、生化特征、功能 2 ）细胞分化的形式 时间上：指一种细胞在不同的

2、发育阶段有不同的形态和功能变化（骨髓内造血干细胞的发生过程）。 空间上：指来源于一种细胞的子细胞因所处位置不同，其形态和功能也不一样（外胚层来源细胞可发育成表皮细胞或神经细胞）。 3 ）细胞分化的方式：一种是通过已分化细胞的简单倍增，形成新的分化细胞；另一种由未分化的干细胞产生。,受精卵发育按严格的模式和时间次序发展，具备发育为完整个体的潜力。这种潜力，来自一组称为干细胞的分化能力。在个体发育整个过程中，由于干细胞的存在使细胞分化不断进行。干细胞的功能是： 维持、修复作用 自我复制 多项分化潜能，产生具有分化功能的细胞,干细胞,干细胞有两方面区别于其它细胞的特征： 1，可分化为与自身完全相同的细胞， 2，可生产出特异性分化的细胞。 根据个体发育过程中出现的先后次序不同，干细胞分类： 全能干细胞 胚胎干细胞 多能干细胞 定向干细胞,成体干细胞或组织干细胞,又称全能干细胞，存在于未发育成熟的胚胎，高水平表达端粒酶，可分化为除构成脐胎盘，脐带等之外的任何一种特定类型细胞。即能长成动物的任何组织和器官。,胚胎干细胞,特定组织中的非特异性细胞，能无限制地分裂和自我更新。所产生的子细胞有两种结果：

3、一是保持亲代特性，仍作为干细胞；二是不可逆地向终末方向发展，成为一至几种类型的特定细胞。,成体干细胞,多能干细胞：分化产生2种或2种以上细胞，例如，骨髓造血干细胞为多能造血干细胞，通过增殖、分化产生定向干细胞，然后再产生分化细胞； 定向干细胞：产生的子细胞只能分化为某一类细胞，例如精原细胞、红细胞系、白细胞系等，定向干细胞失去多方向分化的能力、增殖能力不是无限的，只能分裂几次。,2004年2月韩国首尔大学科学家黄禹锡在科学杂志上发表论文，宣布在世界上率先用卵子成功培育出人类胚胎干细胞；2005年5月，又在科学杂志上发表论文，宣布攻克了利用患者体细胞克隆胚胎干细胞的科学难题。 首尔大学调查委员会发表最终调查报告宣布，黄禹锡这两项突破性研究的实验数据是伪造的。 黄禹锡2005年培育出第一条克隆狗 （最早克隆动物是1996克隆羊Dolly）,干细胞命运各不相同，但分化机制相似：调控基因指导特异性基因的转录及特定蛋白质的合成，从而细胞逐步发展为具有专门功能的特定细胞类型。 同样，干细胞也对邻近细胞的生长信号发生反应，导致特定基因活化及相应蛋白质合成，参与细胞分化、运动或与其它细胞作用以形成组织

4、。,1970年Martin Evans首次从小鼠胚囊中分离出小鼠胚胎干细胞。原被误认为功能单一的干细胞后被证实具有自我复制能力，可分化为人体206种组织器官的原始细胞； 1998年在人胚囊内层细胞分离出人的胚胎干细胞，目前通过核移植技术获得人胚胎干细胞。,人类胚胎从何时起享有人的尊严？,胚胎是早期生命吗？,干细胞具有的能够稳定生存增殖并保持多向分化潜能的特性使其在遗传性疾病和组织器官移植领域有巨大的应用前景。,细胞分化特点,1 ）稳定性：分化一旦确立，分化状态稳定； 2 ）全能性：子代细胞保留亲本细胞的全部信息，并在一定条件下可以表达出来； 3 ）选择性：分化细胞的基因选择性表达，出现不同的表型； 4 ）可逆性：具有增殖能力的组织中已分化的细胞在一定条件下可以逆转到胚胎状态，形成去分化现象。,细胞分化的机制,（1 ）“决定”先于分化 细胞决定（ determination ）是指细胞内某些基因永久地关闭，而另一些基因顺序表达，具备向某一特定方向分化的能力（稳定的、可遗传的）。 如，胚胎早期的外（神经细胞、上皮细胞、肛门上皮细胞）、中（泌尿、生殖）、内（呼吸、消化） 3 胚层在细胞形态上

5、并无差别，但已预定要分化出各自不同的组织细胞。 （ 2 ）细胞质在决定细胞差别中作用 细胞质分配的不均匀，子代干细胞的胞质组分不同，导致子细胞产生差别（即分化的表现）。 （ 3 ）细胞间相互作用 位置效应：细胞分化与细胞所在位置及与其他细胞的联系有关，包括细胞间直接接触所进行信息转导和细胞外物质（细胞因子）的作用结果。,细胞内不同基因在不同发育阶段被选择激活，即基因在时空上的有序表达。,动物卵细胞中贮存有大量mRNA，呈非均匀分布； 用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵，胚胎发育仍能进行至囊胚期 用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵，受精卵停止发育。 卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运。 昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞的。迁入卵的后端极质部的细胞发育为原始生殖细胞，用紫外线照射这一区域，破坏极质，卵将发育为无生殖细胞的不育个体。,（一）细胞分裂的不对称性,细胞的不对称分裂使姐妹细胞产生了差异 在细胞分裂时一些重要的分子被不均等地分配到两个子细胞中,1、胚胎诱导(embryonic induction) ：胚胎发育过程中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。 诱导者(

6、inductor) ：对其它细胞起诱导作用的细胞： 脊索可诱导其顶部外胚层发育成神经板，神经沟和神经管； 视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体，而晶体又可诱导外胚层形成角膜。,（二）细胞间的相互作用,进一步更复杂的模式由细胞间相互作用产生,诱导的相互作用可以在原本等同的细胞中建立起有序的差异,2、分化抑制：分化成熟的细胞可以产生抑素，抑制相邻细胞发生同样的分化。 如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正常的心脏。 3、细胞数量效应 小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功能的胰腺组织，但如果把胰原基切成8小块分别培养，则都不能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。,4、细胞外基质的影响 干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞； 在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞； 在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。 5、激素的作用 如昆虫的保幼激素和脱皮激素。,1、染色体结构的变化 1）基因删除：原生动物、昆虫、甲壳动物。 2）基因扩增：果蝇多线染色体。 3）基因重排：免疫球蛋白基因（106108种抗体）。 4）DNA的甲基化与异染色质化：胞

7、嘧啶的甲基化使基因失活。,（三）细胞核与细胞分化,2、基因与细胞分化 无论是母体mRNA的作用还是细胞间的相互作用，其结果是启动特定基因的表达。 根据对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明： 卵受精后，首先表达的是母体基因；母体基因的产物是转录因子，沿胚的前后轴形成一个浓度梯度，决定了胚的前后位置和头尾区域；控制其它基因的表达： 母体基因 间隙基因 成对基因体节极性基因同源异形基因（homeotic gene，Hox）,Gene and Development,母体基因,间隙基因,成对基因,体节极性基因,同源异形基因,同源异型基因决定身体各部分的特异性,生物体细胞中含有决定生长分裂和分化的全部基因信息，按其与细胞分化的关系，可将这些基因分为两大类：奢侈基因和管家基因,2 奢侈基因与管家基因,奢侈基因(luxury gene)，编码细胞特异性蛋白，与各种分化细胞的特定性状直接相关，这类基因对细胞自身生存无直接影响。 如编码红细胞血红蛋白，肌细胞的肌球蛋白和肌动蛋白等的基因属此类。,管家基因(house keeping gene)，这类基因的表达产物为细胞生命活动持续需要和必不少，但与细胞分化的

8、关系不大，在细胞分化中只起协助作用。 如tRNA，rRNA基因，催化能量代谢的各种酶系，三羧酸循环中各种酶系等,从分子层次看，细胞分化主要是奢侈基因中某种（或某些）特定基因选择性表达的结果。某些基因的选择性表达合成了执行特定功能的蛋白质，从而产生特定的分化细胞类型。,一 基因组 成熟分化的细胞保留着全部核基因组。,分化细胞的基因表达特征 基因循序差异表达,相关实验： 1964年Gurdon等进行的非洲爪蟾实验 1970年Steward等用悬浮培养的胡萝卜单个 细胞培养成可育的胡萝卜植株。 1996年英国学者克隆出 “多莉”羊,J.Gurdon 1964,悬浮培养的胡萝卜单细胞培养成了可育植株,（Steward,1970年）,Dolly的标本和伊恩博士,Dolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊Dolly由英国爱丁堡大学的伊恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺结核而被安乐死，它的标本于2003年4月9日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。,多莉的出生与三只母羊有关，而多莉与提供细胞核的母羊最相似 。,遗传信息来自哪里？,克隆羊 1996年7月5日，伊恩维尔穆特科研小组克隆绵羊“

9、多利”在位于苏格兰爱丁堡市郊的罗斯林研究所诞生。“多利”是世界上第一只通过成年哺乳动物体细胞克隆的动物。 克隆猫 2002年初美国得克萨斯州大学威苏辛教授培育出世界上第一只克隆猫“”。它于2006年顺利产下3只猫崽。 克隆马 2003年5月28日世界上第一匹克隆马“普罗梅泰亚”在意大利克雷莫纳市繁殖技术与家畜饲养实验室诞生，克隆马科研小组负责人是切萨雷加利教授。 克隆狗 2005年8月韩国首尔大学教授黄禹锡研究小组将一条9周大的阿富汗猎犬“斯纳皮”介绍给公众，并宣布它是世界上第一条克隆狗。 克隆猴子胚胎 2007年11月美国俄勒冈州比弗顿的国家灵长类动物研究中心沙乌科莱特米塔利波夫研究小组利用一只10岁雄性恒河短尾猴成功克隆出胚胎，并从20个克隆胚胎中培育出两批胚胎干细胞，并从克隆胚胎中培育出成熟的猴子心脏细胞和大脑神经。 克隆人？,动物克隆进程,齐天大圣：“其实我在500年前就已经成功克隆过猴子了！”,这些实验说明： -即使是终末分化细胞，其细胞核同样也包含全部的遗传信息，即具有发育为完整个体的“全能性”。,细胞的全能性: 指已分化的细胞仍具有发育成完整个体的能力.,当精子及卵子结合，来自父代及母代的基因即发生组合，形成发育为一个完整个体所需的基因组。 细胞最初是“基因组等同”，但逐渐启动不同的分化程序。每一特定类型的细胞只使用一小部分遗传信息，表达一套特异蛋白质。 分化进程中，细胞有选择地启动某些基因并合成其它类型的细胞所不具备的蛋白质，以构成该种特定细胞的结构、产物及功能的基础。,如肌肉细胞发育的原肠胚形成阶段，整个胚胎细胞都能合成肌球蛋白，但原肠期以后，合成肌球蛋白的细胞仅局限于心区 ，而其他部位的细胞则被抑制。,分化中为何出现动物细胞表型的差异? 这是细胞各自表达特异性基因的结果。一些胚胎细胞按其遗传潜能来说都是“全能”的，但其携带的遗传信息在发育过程中并不都能表达，而是按严格的时空顺序有选择地表达其中一部分。,分化是细胞命运决定过程中基因循序差异表达的结果,基因表达的阶段特异性（时）及组织特异性（空） 指特定基因的表达按照严格的时间顺序发生，同时，同一基因产物在不同的组织器官表达数量不同

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