1、第十一章 细胞分化,Cell Differentiation,学习目的和要求,掌握细胞分化的基本概念、特点。 熟悉目前认识到的细胞分化的机制。 熟悉细胞间相互作用对细胞分化的调节作用和机制。 了解激素、环境因素对细胞分化的影响。 了解细胞分化的医学意义。 了解再生的现象与本质。,Cell Differentiation,细胞分化的概念：由单个受精卵产生的细胞，在形态结构、生化组成和功能等方面均发生了明显的差异，形成这种稳定性差异的过程称为细胞分化(cell differentiation) 。,Cell Differentiation,增殖 分化,第一节 细胞分化的基本概念,一、细胞分化贯穿于
2、多细胞生物个体发育的全过程 二、细胞分化具有高度的稳定性 三、细胞分化的方向由细胞决定来选择 四、已分化的细胞在特定条件下可发生转分化和去分化 五、细胞分化具有时空性 六、细胞分化与细胞的分裂状态和速度相适应,Cell Differentiation,一、细胞分化贯穿于多细胞生物个体发育的全过程,多细胞生物的个体发育过程： 一般包括胚胎发育和胚后发育两个阶段， 胚胎发育：包括卵裂、囊胚、原肠胚、神经胚、 器官发生等阶段。 胚后发育：从卵膜孵化出来或从母体分娩以后 衰老死亡,Cell Differentiation,细胞分化贯穿于个体发育的全过程，胚胎期最明显。,1.动物胚胎的三胚层代表不同类型
3、细胞的分化去向,脊椎动物细胞分化示意图,Cell Differentiation,2.细胞分化的潜能随个体发育进程逐渐“缩窄”,全能性细胞：在一定条件下能够分化发育成为完整个体的细胞， 如哺乳动物桑椹胚的8细胞期之前的细胞 。 多能细胞：在三胚层形成后，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。 单能性细胞：经过器官发生，各种组织细胞的命运最终确定。 只能发育成一种细胞。,Cell Differentiation,在胚胎发育过程中，细胞分化的一般规律： 细胞逐渐由“全能”“多能”“单能”的趋向。,全能性细胞核（totipotent nucleus）：终末分化细胞的细胞核仍然
4、具有全能性。,证明细胞核全能性的实验 核移植实验。,3. 终末分化细胞的细胞核具有全能性, 爪蟾核移植实验,Cell Differentiation, 哺乳动物核移植实验“多莉”（Dolly）羊的诞生,Cell Differentiation,已特化的体细胞的细胞核仍保留形成正常个体的全套基因，具有发育成一个有机体的潜能。,二、细胞分化具有高度的稳定性,细胞分化的稳定性（stability）：是指在正常生理条件下，已经分化为某种特异的、稳定类型的细胞一般不可能逆转到未分化状态或者成为其他类型的分化细胞。 如神经元在整个生命过程中能保持特定的分化状态 离体培养时能长时间保持分化状态,Cell D
5、ifferentiation,已分化的终末细胞在形态结构和功能上保持稳定是个体生命活动的基础。,细胞决定先于细胞分化并制约着分化的方向 细胞决定(cell determination)：在个体发育过程中，细胞在发生可识别的分化特征之前就已经确定了未来的发育命运，只能向特定方向分化的状态。 原肠期的三胚层形成时，形成各器官的预定区已经确定，只能按一定的规律发育分化成特定的组织、器官和系统 。,三、细胞分化方向由细胞决定来选择,Cell Differentiation,细胞决定实验示意图,Cell Differentiation,细胞决定可通过胚胎移植实验予以证明,原肠胚早期,原肠胚晚期,供体,受
6、体,预定发育成表皮,预定发育成脑,结果表明： 在两栖类的早期原肠胚和晚期原肠胚之间的某个时期开始了细胞决定， 一旦决定之后，即使外界的因素不复存在，仍能按照已决定的命运进行分化。,2. 细胞决定具有遗传稳定性,细胞决定表现出遗传稳定性。典型的例子是果蝇成虫盘细胞的移植实验。 在果蝇研究中发现，有时某种培养的成虫盘细胞会出现不按已决定的分化类型发育，而是生长出不是相应的成体结构，发生了转决定（transdetermination）。,Cell Differentiation,果蝇成虫盘细胞决定状态的移植实验,Cell Differentiation,四、已分化的细胞在特定条件下可发生转分化和去分
7、化,1. 已分化的细胞可发生去分化 去分化的概念：一般情况下，细胞分化过程是不可逆的。然而某些条件下，分化细胞的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)。 如高度分化的植物细胞的完全去分化 动物细胞的部分去分化（如人类的肿瘤细胞） 诱导多能干细胞,Cell Differentiation,细胞重编程可以改变细胞的分化状态,细胞重编程概念：一般将成熟终末分化细胞逆转为原始的多能，甚至是全能性干细胞状态的过程称为细胞重编程（cellular reprogramming）。 实例：基于细胞核移植技术进行的动物克隆实验。 诱导多
8、能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPS细胞）的制备：如将四个转录因子（Oct3/4、Sox2、C-Myc、Klf4）基因导入皮肤成纤维细胞中，即可获得iPS细胞。,Cell Differentiation,转分化的概念：在高度分化的动物细胞中还可见到另一种现象，即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（transdifferentiation）。,2. 特定条件下已分化的细胞可转分化为另一种类型细胞,Cell Differentiation,必须指出的是，无论是动物还是植物，细胞分化的稳定性是普遍存在的，而分化的可逆性，即发生细胞的转分
9、化或去分化是有条件的。,Cell Differentiation,五、细胞分化的时-空性,在个体发育过程中，多细胞生物细胞既有时间上的分化，也有空间上的分化。 一个细胞在不同的发育阶段可以有不同的形态结构和功能，即时间上的分化； 同一种细胞的后代，由于每种细胞所处的空间位置不同，其环境也不一样，可以有不同的形态和功能，即空间上的分化。,Cell Differentiation,六、细胞分化与细胞的分裂状态和速度相适应,细胞分裂和分化是多细胞生物个体发育过程中的两个重要事件，两者之间有密切的联系。 通常细胞在增殖（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
10、有G1期时，细胞分化减慢； 细胞分裂旺盛时分化变缓，分化较高时分裂速度减慢个体生长发育的一般规律。,Cell Differentiation,第二节 细胞分化的分子基础,一、细胞分化的本质 二、细胞分化的基因表达调控主要发生在转录水平 三、小RNA通过调控蛋白质基因的表达谱来决定细胞分化,Cell Differentiation,一、细胞分化的本质是基因组中不同基因的选择性表达,1. 基因的选择性表达是细胞分化的普遍规律 细胞分化过程中一般并不伴有基因组的改变。 细胞分化的本质：基因的选择性表达，一些基因处于活化状态，同时另一些基因被抑制而不活化。,Cell Differentiation,多
11、细胞生物个体发育与细胞分化过程中，其基因组DNA并不全部表达，而是按照一定的时-空顺序，在不同细胞和同一细胞的不同发育阶段发生差异表达（differential expression）。,管家蛋白(housekeeping protein) ： 由管家基因(housekeeping gene)表达，存在于所有分化类型细胞中，维持细胞生存所必需的基本蛋白，如细胞骨架蛋白、膜蛋白、染色质的组蛋白、核糖体蛋白。,Cell Differentiation,分化细胞中表达的两类基因,奢侈蛋白（luxury protein）： 奢侈蛋白：由奢侈基因编码，仅存在于特定的分化细胞中，赋予分化细胞不同特征的特异
12、性蛋白。如红细胞中的血红蛋白、皮肤表皮细胞中的角蛋白、肌细胞中的肌动蛋白和肌球蛋白。,2. 基因组改变是细胞分化的特例,基因组扩增：见于果蝇的腺细胞和卵巢滤泡细胞，染色体多次复制，形成多倍体（polyploid）和多线体（polyteny）。 基因组丢失：在马蛔虫个体发育过程中，只有生殖细胞得到了完整染色体，而体细胞中的染色体只是部分染色体片段。哺乳动物（除骆驼外）的红细胞以及皮肤、羽毛和毛发的角化细胞则丢失了完整的核。 基因重排：在B淋巴细胞分化过程中，DNA通过体细胞重组, 使DNA序列中不同部位的部分基因片段连接在一起，组成产生抗体mRNA的DNA序列。,Cell Differentia
13、tion,二、细胞分化的基因表达调控主要发生在 转录水平,组织细胞特异性转录因子和活性染色质结构区决定了细胞特异性蛋白的表达。 2. 发育过程中基因的独特调控方式启动特定谱系细胞的分化 3. 染色质成分的共价修饰制约基因的转录 4. 同源异形框基因规划机体前-后体轴结构的分化和发育蓝图,Cell Differentiation,以血红蛋白表达为例介绍个体发育过程中血红蛋白的表达特点：脊椎动物的血红蛋白由2条-珠蛋白链和2条-珠蛋白链组成，其在个体发育不同时期表达不一样。,Cell Differentiation,第十五章 细胞分化,人珠蛋白基因结构,血红蛋白选择性表达机制： 在个体发育过程中依
14、次有不同的-珠蛋白基因的打开和关闭，这与-珠蛋白基因簇上游的基因座控制区（locus control region, LCR）有关。 LCR距离基因的5末端约10,000碱基对以上 ，可使任何与它相连的-家族基因高水平表达。,Cell Differentiation,第十五章 细胞分化,LCR控制的-珠蛋白基因活化的可能机制,脊椎动物骨骼肌细胞分化机制,Cell Differentiation,细胞增殖 （生长因子作用）,细胞停止增殖 （MRF4、myogenin依次激活，同时需要细胞粘附因子参与,2. 细胞分化过程中基因表达调控的复杂性, 一个关键基因调节蛋白的表达能够启动特定谱系 细胞的分
15、化。如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。,发育过程中一些基因调节蛋白的组合能产生许多细胞类型 在图中假设的例子中，利用5种不同的基因调节蛋白最终形成8种细胞类型（GN） 。,组合调控能够以相对较少的基因调节蛋白产生多种类型细胞。,Cell Differentiation, 一些基因调节蛋白的组合能产生许多类型的细胞,3. 染色质成分的共价修饰制约基因的转录,染色质成分的共价修饰包括： 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。,Cell Differentiation,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
16、色质成分的共价修饰在基因转录调控上的作用是可遗传的。,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。 分布：常见于富含CG二核苷酸的CpG岛 含量：哺乳动物基因组中约70%80%的CpG位点是甲基化的。 主要集中于异染色质区，其余则散在于基因组中。 作用：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甲基化在转录水平上调控细胞分化的基因表达, DNA甲基化概念,Cell Differentiation,人类胚胎红细胞中珠蛋白基因的甲基化,Cell Differentiation, DNA 甲基化导致基因失活/沉默的可能
17、机制 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。,Cell Differentiation, 组蛋白的化学修饰决定了转录因子是否能够与基因表达调控区结合,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。例如，组蛋白的乙酰化和去乙酰化影响转录因子与DNA的结合。,Cell Differentiation,近年研究表明，组蛋白的化学修饰所引起的染色质结构的动态变化能够影响细胞的分化状态的转变。,组蛋白乙酰化：在组蛋白乙酰基转移酶作用下，于组蛋白N-端
18、尾部的赖氨酸加上乙酰基。 乙酰化的作用：在大多数情况下，组蛋白乙酰化有利于基因转录。低乙酰化的组蛋白通常位于非转录活性的常染色质区域或异染色质区域。,Cell Differentiation,4. 同源异形框基因规划机体前-后体轴结构的分化与 发育蓝图,同源异形框基因：广泛存在于从酵母到人类的各种真核生物中的基因，其特点是基因中存在共同的180bp的DNA片段，编码高度同源的60个氨基酸。这个共同的180bp DNA片段被称为同源异形框（homeobox），含有同源异形框的基因谓之同源异形框基因（homeobox gene），如果蝇的HOM 基因，动物和人类的Hox基因。 同源异形域蛋白：由同
19、源异形框基因编码的蛋白称为同源异形域蛋白（homeodomain protein）。,Cell Differentiation,高度保守的60个氨基酸片段，为一种螺旋-环-螺旋（HLH）结构，其中的9个氨基酸（第4250位）与DNA的大沟相结合，能识别其所控制的基因启动子中的特异序列，引起特定基因表达的激活或阻抑。,不同生物同源异形框编码的氨基酸序列比较,Cell Differentiation,HOM或Hox基因在染色体上的排列顺序与其在体内的不同时空表达模式相对应： 这些基因激活的时间顺序表现为越靠近前部的基因表达越早，而靠近后部的基因表达较迟； 这些基因表达的空间顺序表现为头区的最前叶只
20、表达该基因簇的第一个基因，而身体最后部则表达基因簇的最后一个基因。,Cell Differentiation,果蝇和小鼠同源异形框基因及其表达模式,Cell Differentiation,Cell Differentiation,表观基因组与细胞分化 基因组：某一个体不变的DNA序列； 表观基因组：染色质模板的总体构成，随细胞类型的不同而变化，并能对其收到的内、外界信号发生反应。表观基因组会在多细胞生物由一个受精卵发育到许多已分化细胞这一过程中发生变化。,三、小RNA在细胞分化中的作用,非编码RNA （non-coding RNA）,Cell Differentiation,长链非编码RNA
21、,小RNA,microRNA,siRNA,piRNA,小RNA是在研究秀丽隐杆线虫（C. elegan）细胞命运的时间控制过程中被发现的；广泛地存在于哺乳动物，具有高度的保守性，通过与靶基因mRNA互补结合而抑制蛋白质合成或促使靶基因mRNA降解。研究表明，它们参与了细胞分化与发育的基因表达调控。,Cell Differentiation,微小RNA (microRNA, miRNA)： 前体为7090nt，由具有核糖核酸酶性质的Drosha和Dicer酶加工而成。,小干扰RNA(small interfering RNA, siRNA： 来源于外源性的长双链RNA，是Dicer酶解产物。,第
22、三节 细胞分化的影响因素,一、胞质中的细胞分化决定因子与传递方式影响细胞分化的命运 二、胚胎细胞间相互作用协调细胞细胞分化的方向 三、激素是不相邻的远距离的细胞间相互主要的分化调节因子 三、细胞分化的方向可因环境因素的影响而改变,Cell Differentiation,一、胞质中的细胞分化决定因子与传递方式,母体效应基因产物的极性分布决定了细胞分化与发育的命运。 2. 胚胎细胞分裂时胞质的不均等分配影响细胞的分化命运,Cell Differentiation,母体效应基因产物的极性分布决定了细胞分化与发育的命运 母体效应基因（maternal effect gene, MEG）产物：在卵质中
23、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，它们在细胞发育命运的决定中起重要作用。,Cell Differentiation,受精前后bicoid基因mRNA 及翻译蛋白的浓度梯度分布,Cell Differentiation,2. 胚胎细胞分裂时胞质的不均等分配影响细胞的分化命运 不对称分裂的概念：在胚胎早期发育过程中，细胞质成分是不均质的，胞质中某些成分的分布有区域性。当细胞分裂时，细胞质成分被不均等地分配到子细胞中，这种不均一性胞质成分可以调控细胞核基因的表达，在一定程度上决定细胞的早期分化。,Cell Differentiation,不对称
24、分裂的实例：,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,Cell Differentiation,胚胎诱导：胚胎发育过程中，一部分细胞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(embryonic induction)。 胚胎诱导的特点： 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。,二、细胞间相互作用对细胞分化中的影响,1. 胚胎细胞间相互作用的主要表现形式是胚胎诱导,Cell Differentiation,眼球发育过程中的多级诱导作用 A. 初级
25、诱导 B. 次级诱导 C. 三级诱导,Cell Differentiation,分化诱导的三个层次： 初级诱导：中胚层的脊索 外胚层形成神经板 次级诱导：外胚层的神经板 视泡 外胚层眼晶状体 三级诱导：外胚层晶状体 外胚层角膜,三个胚层中，以中胚层首先分化，诱导出现早、作用强,胚胎诱导的分子基础： 胚胎诱导是通过诱导组织释放的各种旁分泌因子（paracrine factor）实现的。这些旁分泌因子以诱导组织为中心形成由近及远的浓度梯度，它们与反应组织细胞表面的受体结合，将信号传递至细胞内，通过调节反应组织细胞的基因表达而诱导其发育和分化。,Cell Differentiation,常见的旁分泌
26、因子及其信号转导通路,Cell Differentiation,旁分泌因子在胚胎的不同发育阶段以及处于不同位置的胚胎细胞中的表达差异，提供了胚胎发育过程中的位置信息。,位置信息（sonic hedgehog信号）在翅膀发育中的作用,Cell Differentiation,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：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。,Cell Differentiation,侧向抑制：在具有相同分化命运的胚胎细胞中，如果一个细胞“试图”向某个特定方向分化，那么，这个细胞在启动分化指令的同时也发出另一个信号去抑制邻近细胞的
27、分化，这种现象被称为侧向抑制（lateral inhibition）。 见于脊椎动物的神经板细胞向神经前体细胞分化过程中。,三、激素对细胞分化的调节,激素是远距离细胞间相互作用的分化调节因子，是个体发育晚期的细胞分化调控方式。 激素影响细胞分化与发育的典型例子是动物发育过程中的变态（metamorphosis）效应。 昆虫的变态发育受蜕皮激素的影响； 两栖类的变态与甲状腺激素（T3,T4）有关。,Cell Differentiation,四、环境因素对细胞分化的影响,细胞分化的方向可因环境影响而改变。 目前已了解到，物理的、化学的和生物性因素均可对细胞的分化与发育产生重要影响。 两栖类动物受精
28、卵的背-腹轴决定，与重力有关； 在低等脊椎动物，性别决定与分化受环境因素的影响较大，如温度； 哺乳类动物（包括人类）B淋巴细胞的分化与发育则依赖于外来性抗原的刺激。,Cell Differentiation,第四节 细胞分化的医学意义,一、细胞分化与肿瘤密切相关 二、细胞分化与再生过程密切相关,Cell Differentiation,一、细胞分化与肿瘤,1.肿瘤是细胞分化的异常表现,细胞分化观点认为分化障碍是肿瘤细胞的一个重要生物学特性。 肿瘤是由于正常基因功能受控于错误的表达程序所致。 恶性肿瘤是细胞分化和胚胎发育过程中的一种异常表现。,肿瘤细胞主要表现出低分化和高增殖的特征。,Cell
29、Differentiation,2.肿瘤细胞是丧失接触性抑制的“永生”细胞,一般情况下，体外培养的大部分正常细胞需要粘附于固定的表面进行生长（依赖锚泊），增殖的细胞达到一定密度，汇合成单层以后即停止分裂，此过程称为接触抑制或密度依赖性抑制。 肿瘤细胞和转化细胞缺乏这种生长限制，不需要依附于固定表面，不受密度限制，可持续分裂，达到很高密度而出现堆积生长，形成高出单层细胞的细胞灶。,Cell Differentiation,3. 肿瘤细胞的分化起源,肿瘤细胞群体大致可分为四种类型： 干细胞：是肿瘤细胞群体的起源，具有无限分裂增殖及自我更新能力，维持整个群体的更新和生长； 过渡细胞：由干细胞分化而来
30、，具备有限分裂增殖能力，但丧失自我更新特征； 终末细胞：是分化成熟细胞，已彻底丧失分裂增殖 能力； G0期细胞：是细胞群体中的后备细胞，有增殖潜能但不分裂，在一定条件下，可以更新进入增殖周期。,Cell Differentiation,大量证据表明，肿瘤起源于一些未分化或微分化的干细胞，是由于组织更新时所产生的分化异常所致。,4. 肿瘤细胞向正常细胞的诱导分化,肿瘤细胞可以在高浓度的分化信号诱导下，增殖减慢，分化加强，走向正常的终末分化。这种诱导分化信号分子称为分化诱导剂。 分化诱导剂对肿瘤的这种促分化作用，称为分化诱导作用。 如：可利用维甲酸对肿瘤细胞的诱导分化作用治疗人急性早幼粒细胞白血病
31、。,Cell Differentiation,再生现象： 一些发育成熟的成年动物个体有再生（regeneration）现象，表现为动物的整体或器官受外界因素作用发生创伤而部分丢失时，在剩余部分的基础上又生长出与丢失部分在形态结构和功能上相同的组织或器官的过程。 机体在正常生理条件下由组织特异性成体干细胞完成的组织或细胞的更新，如血细胞的更新、上皮细胞的脱落和置换等，虽然与再生相似，但性质上有所不同。,二、细胞分化与再生医学（了解）,Cell Differentiation,1. 再生的本质与方式,再生的本质：是成体动物为修复缺失组织器官的发育再活化，是多潜能未分化细胞的再发育。 再生的方式：
32、微变态再生：是两栖类动物再生肢体的主要方式。 变形再生：见于水螅的再生。 补偿性再生：是哺乳动物肝脏再生的方式。,Cell Differentiation,2. 再生的过程,人们在两栖类有尾动物蝾螈的肢体再生上进行了较为深入的研究。 蝾螈肢体的再生主要包括以下几个过程： 顶端外胚层帽和去分化再生胚芽的形成； 胚芽细胞的增生和再分化； 再生胚芽的模式形成。,Cell Differentiation,找出激活曾经是人体器官形成的发育程序的方法： 其中一种方法是寻找相对未分化的多潜能干细胞； 另外一种方法是寻找能够允许这些细胞开始形成特定组织细胞的环境。,3. 再生的医学意义,Cell Differentiation,
