1、Cell differentiation细胞分化细胞分化生命科学学院内容内容第一节第一节 细胞分化的基本概念细胞分化的基本概念第二节第二节 细胞分化的分子基础细胞分化的分子基础第三节第三节 细胞分化的影响因素细胞分化的影响因素第四节第四节 干细胞干细胞第五节第五节 细胞分化与医学细胞分化与医学精子穿卵受精卵6周胚胎11周胚胎12周胚胎4月胚胎胎儿从卵裂到出生的9个月内的发育过程可分为3个阶段。每一阶段大约持续12周。第一阶段单细胞受精卵发育成高度分化的多细胞胚胎第二阶段胎儿体积增大和人体特征的精细化；第三阶段胎儿迅速生长，各器官系统基本完善；细胞分化细胞分化（Cell differentiat
2、ion）在个体发育中，在个体发育中，同源细胞同源细胞通过分裂，通过分裂，后代细胞的后代细胞的形态结构、生理功能和形态结构、生理功能和生物化学特性等方面发生了生物化学特性等方面发生了稳定性稳定性差异差异的过程。的过程。第一节第一节 细胞分化的基本概念细胞分化的基本概念细胞分化的明显改变开始于 。一、细胞分化贯穿于多细胞生物个体发育的全过程胚胎发育胚后发育包括卵裂、囊胚、原肠胚等几个基本的发育阶段，脊椎动物还要经过神经轴胚期以及器官发生等阶段幼体从卵膜孵化出或从母体分娩以后原肠胚形成之后外胚层外胚层中胚层中胚层内胚层内胚层呼吸系统上皮呼吸系统上皮消化道上皮消化道上皮胰胰肝肝腺腺甲状腺甲状腺甲状旁腺
3、甲状旁腺软骨软骨骨骨肌肉肌肉血液血液髓样组织髓样组织淋巴组织淋巴组织泌尿生泌尿生殖系统殖系统疏松结疏松结缔组织缔组织致密结致密结缔组织缔组织毛、齿毛、齿表皮表皮脑脑神经管神经管腺腺脊髓脊髓甲、爪甲、爪动物胚胎的三胚层代表不同类型细胞的分动物胚胎的三胚层代表不同类型细胞的分化去向化去向 经过器官发生，各种组织细胞的命运最终确定。在胚胎发育的三胚层形成后，细胞的分化潜能受到限制，仅能向本胚层组织和器官方向分化发育的细胞。在一定条件下，能够分化发育成为完整个体的细胞，如哺乳动物桑葚胚的8细胞期之前的细胞全能细胞：全能细胞：多能细胞：多能细胞：单能细胞：单能细胞：细胞分化的一般规律细胞分化的一般规律
4、全能-多能-单能 在整个发育过程中，细胞分化潜能逐渐受到限制而变窄黑色素细胞二、细胞分化的特点1.具有高度的稳定性2、已分化的细胞在特定条件下可发生去分化和转分化？在某些条件下，分化了的细胞基因活动模式也可发生可逆性的变化，而又回到未分化状态，这一变化过程称为去分化(dedifferentiation)。去分化从一种分化状态转变为另一种分化状态，这种情况称为转分化。转分化（transdifferentiation）分化具有单向性、序列性、终末性，一般情况下，都会达到分化的目标终点，形成终末分化细胞细胞分化的稳定性是普遍存在的分化的可逆是有条件的 细胞核必须处于有利于分化逆转的环境中；分化能力的
5、逆转必须具有相应的遗传物质基础。细胞经分裂和分化后仍具有产生完整细胞经分裂和分化后仍具有产生完整个有机体的潜能或特性，即全能性个有机体的潜能或特性，即全能性。3.3.终末分化细胞的细胞核具有全能性？终末分化细胞的细胞核具有全能性？全能性全能性韧皮细胞韧皮细胞核移植实验277次乳腺细胞核移植实验；获得29个发育为8细胞“胚”；13头代孕母亲；1996年7月5日，羊羔6LL3，被命名为“多莉”。三、细胞分化方向由细胞决定来选择 细胞发生可识别的形态变化之前，已经确定了未来的发育命运，受到约束而向着特定的方向分化。细胞决定（Cell determination）细胞决定实验示意图（胚胎移植实验）眼形
6、成（果蝇）细胞决定具有遗传稳定性细胞决定具有遗传稳定性成体果蝇成体果蝇幼虫体内已决定但尚未分化的细胞团，在幼虫的变幼虫体内已决定但尚未分化的细胞团，在幼虫的变态期之后，不同的成虫盘可以逐渐发育为果蝇的腿态期之后，不同的成虫盘可以逐渐发育为果蝇的腿、翅等成体结构、翅等成体结构四、细胞分裂与细胞分化四、细胞分裂与细胞分化细胞在增殖（细胞分裂）的基础上进行分化细胞分化发生于细胞分裂的G1期，当G1期很短或几乎没有G1期时，细胞分化减慢。细胞分裂旺盛时分化变 ，分化较高时分裂速度减 个体生长发育的一般规律。举例：表皮角化层细胞、神经元和心肌细胞缓慢第二节第二节 细胞分化的分子基础细胞分化的分子基础分子
7、杂交技术检测基因及其表达分子杂交技术检测基因及其表达 +胰岛胰岛细胞细胞成红成红细胞细胞输卵管输卵管细胞细胞卵清蛋白基因卵清蛋白基因-珠蛋白基因珠蛋白基因胰岛素基因胰岛素基因实验方法：细胞总实验方法：细胞总DNA Southern杂交杂交分子杂交技术检测基因及其表达分子杂交技术检测基因及其表达 +-+-+胰岛胰岛细胞细胞成红成红细胞细胞输卵管输卵管细胞细胞卵清蛋白基因卵清蛋白基因-珠蛋白基因珠蛋白基因胰岛素基因胰岛素基因实验方法：细胞总实验方法：细胞总RNA Northern杂交杂交一、细胞分化的本质是基因组中不同基因的选择性表达持家基因持家基因 持家蛋白持家蛋白（house keeping
8、gene）奢侈基因奢侈基因 奢侈蛋白奢侈蛋白(luxury gene)生物体各类细胞中都表达，维持细胞存活和生长所必须的基因持家基因如：核糖体蛋白、糖酵解酶在各种组织中有选择性表达的基因，与各种分化细胞的特殊性状有直接关系，但丧失这些基因对细胞的生存并无直接影响。奢侈基因如：表皮细胞的角蛋白、红细胞的珠蛋白、眼晶状体的晶体蛋白二、细胞分化的基因表达调控主要二、细胞分化的基因表达调控主要发生在发生在 水平水平 转录转录组织细胞组织细胞特异性转录因子特异性转录因子和和活性染色活性染色质结构区质结构区决定了细胞特异性蛋白的表决定了细胞特异性蛋白的表达达 与基因表达的调控区相互作用的转录因子分两大类：
9、通用转录因子：通用转录因子：为大量基因转录所需要并在许多细胞类型中都存在的因子。组织细胞特异性转录因子组织细胞特异性转录因子：为特定基因或一系列组织特异性基因所需要，并在一个或很少的几种细胞类型中存在的因子。1.一个表达的转录因子同时调控几个基因的表达。2.组合调控：转录起始受基因调节蛋白组合而不是单个基因调节的调控（一）转录因子调控表达方式在哺乳动物的成肌细胞向肌细胞分化过程中，myoD基因起重要作用。作为转录因子的基因产物本身起正反馈调节蛋白作用，一旦该基因活化，即可引发一系列细胞分化基因的活动。这种起正反馈作用的特异地参与某一特定发育途径的起始基因通常称为细胞分化主导基因细胞分化主导基因
10、（master control gene）1.一个表达的转录因子同时调控几个基因的表达。2.组合调控：转录起始受基因调节蛋白组合而不是单个基因调节的调控（一）转录因子调控表达方式基因调节蛋白的组合能产生许多类型细胞（二）染色质成分的共价修饰制约基因的转录DNA的甲基化组蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化和羰基化。DNA甲基化在转录水平上调控细甲基化在转录水平上调控细胞分化的基因表达胞分化的基因表达 在甲基转移酶催化下，DNA分子中的胞嘧啶可转变成5-甲基胞嘧啶，这称为DNA甲基化。含量含量：哺乳动物基因组中约70%80%的CpG位点是甲基化的。分布分布：常见于富含CG二核苷酸的CpG
11、岛，主要集中于异染色质区，其余则散在于基因组中珠蛋白基因时空特异性表达人类胚胎红细胞中珠蛋白基因的甲基化DNA的甲基化位点阻碍转录因子结合甲基化程度越高，DNA转录活性越低DNA甲基化 不解旋转录因子不结合抑制转录甲基化直接干扰转录因子与启动子中特定的结合位点的 结合；特异的转录抑制因子直接与甲基化DNA结合；染色质结构的改变。DNA 甲基化导致基因失活/沉默的可能机制基因组印记 一个基因的表达与其来源有关，即只允许表达其中之一，这种现象称为基因组印记。组蛋白密码（histone code）：组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型，它决定了染色质转录活跃或沉默的状态。组蛋白乙酰化：在组蛋白
12、乙酰基转移酶作用下，于组蛋白N-端尾部的赖氨酸加上乙酰基。组蛋白的乙酰化和去乙酰化影响转录因子与DNA的结合 Username: Password:cellcsuxiangya组蛋白修饰调控染色质空间结构和基因转录图组蛋白乙酰基转移酶 HATs组蛋白去乙酰基酶 HDACs组蛋白乙酰化与肿瘤组蛋白乙酰基转移酶 HATs组蛋白去乙酰基酶 HDACs乙酰化的作用：在大多数情况下，组蛋白乙酰化 基因转录。低乙酰化的组蛋白通常位于有利于非转录活性的常染色质区域或异染色质区域。DNA甲基化抑制基因转录组蛋白乙酰化促使基因转录DNA和组蛋白的修饰都会引起染色质结构和基因转录活性的变化。染色质成分的共价修饰在
13、基因转录调控上的作用是可遗传的。三、转录后水平的调控选择性mRNA切割四、翻译水平的调控小分子RNA调控RNA翻译调控mRNA结构反义反义RNA（asRNA）调控）调控干扰RNAiRISC:RNA induced Silencing complexesDicer:酶丢失体细胞体细胞生殖细胞生殖细胞马蛔虫（2n=2）五、基因组改变是细胞分化的特例扩增扩增 卵细胞前体同体细胞一样具有600个rRNA基因，基因扩增后rRNA基因拷贝数达2106组装大量的核糖体。两栖类卵细胞rRNA基因扩增重排哺乳动物一般可产生108个抗体分子，比整个基因组基因数目还多（人类为105 个基因），人类的抗体基因约有30
14、0个，为什么？免疫球蛋白的结构免疫球蛋白的结构。轻链基因的重排轻链基因的重排 第三节 细胞分化的影响因素爪蟾肾脏细胞爪蟾肾脏细胞蝾螈卵细胞蝾螈卵细胞除去细除去细胞质胞质除去细除去细胞核胞核该细胞并不表现爪蟾肾脏细胞的特性,而一些原来不表达的基因被激活灰新月区卵细胞质不均一性对分化的影响一、胞质中存在细胞分化决定因子，其传递方式影响细胞分化的命运细胞分化决定子：影响卵裂细胞向不同方向分化的细胞质成分极质在果蝇生殖细胞形成中的作用细胞分化决定子的本质 决定子对紫外线和核糖核酸酶决定子对紫外线和核糖核酸酶很敏感，说明它是核糖核酸很敏感，说明它是核糖核酸(RNA)性质的。性质的。细胞质不均一性的分子基
15、础细胞质不均一性的分子基础卵细胞中贮存有大量mRNA，呈非均匀分布 受精前后受精前后bicoid基因基因mRNA及翻译蛋白的浓度梯度分布及翻译蛋白的浓度梯度分布裂隙基因裂隙基因成对规则成对规则基因基因体节极性体节极性基因基因果蝇体节形成中的基因调控果蝇体节形成中的基因调控在卵质中呈极性分布、在受精后被翻译为在胚胎发育中起重要作用的转录因子和翻译调节蛋白的mRNA分子。母体因子母体效应基因父体效应基因精子中表达的基因提供了不能由卵子替代的重要发育信息 细胞质中numb蛋白的不对称分布能够影响果蝇神经细胞的发育诸多实验表明线粒体出现不等分配，且细胞内含线粒体的多少与细胞分化有一定关系。细胞器在细胞
16、分化中的作用二、胚胎细胞间相互作用协调细胞二、胚胎细胞间相互作用协调细胞分化的方向分化的方向鸡胚胎眼球的放大照片鸡胚胎眼球的放大照片外胚层外胚层脊索中脊索中胚层胚层神经板神经板神经管神经管前脑前脑视视杯杯虹膜虹膜视网膜视网膜晶状体晶状体角角膜膜鸡胚胎眼球的放大照片鸡胚胎眼球的放大照片脊索可诱导其顶部的外胚层发育成神经板，神经沟和神经管；视杯可诱导其外面的外胚层形成晶状体而晶状体又可诱导外胚层形成角膜。角膜角膜视杯视杯前脑前脑外胚层外胚层晶状体晶状体三级诱导三级诱导1.胚胎细胞间相互作用的主要表现形式胚胎诱导(embryonic induction)胚胎诱导：胚胎诱导：胚胎发育过程中，一部分细胞
17、对邻近细胞产生影响并决定其分化方向的现象，称为诱导或胚胎诱导。胚胎细胞间的相互诱导作用是有层次的。在三个胚层中，中胚层首先独立分化，该过程对相邻胚层有很强的分化诱导作用，促进内胚层、外胚层各自向相应的组织器官分化。胚胎诱导的特点胚胎诱导的特点产生影响的一部分细胞或组织称为诱导子(inductor)接受影响而进行分化的细胞或组织称为应答子(responder)常见的旁分泌因子及其信号转导通路信号通路配体家族受体家族细胞外抑制或调节因子受体酪氨酸激酶EGFFGF（Branchless）ephrinsEGF受体FGF受体（Breathless）Eph受体ArgosTGF-超家族TGF-BMP（Dpp
18、）NodalTGF-受体BMP受体chordin(Sog),nogginWntWnt(Wingless)FrizzledDickkopf,CerberusHedgehogHedgehogPatched,SmoothenedNotchDeltaNotchFringe晶状体诱导晶状体诱导2.胚胎细胞间的相互作用还表现为细胞分化的抑制效应抑制：抑制：是指在胚胎发育中已分化的细胞抑制邻近细胞进行相同分化而产生的负反馈调节作用。三 是不相邻的远距离的细胞间相互作用的分化调节因子激素蜕皮激素甲状腺素四、细胞分化的方向可因环境因素的影响而改变“杰克龙”能在低温(23至26年摄氏度)和高温(30至33摄氏度)条件下从卵中孵化出雌性，而在介于两个温度之间的条件下孵化出雄性鳝鱼既当妈又当爹环境污染与性转换
