细胞生物学-细胞分化

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1、第十二章,细胞分化,Human:1014 cells, 200 cell types,由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程称 为细胞分化。,细胞分化 Cell differentiation,细胞分化在胚胎时期达到最大限度,（一）细胞分化是基因选择性表达的结果,分子杂交技术检测基因及其表达,如鸡的输卵管细胞合成卵清蛋白，成红细胞合成-珠蛋白，胰岛细胞合成胰岛素，这些细胞都是在个体发育中逐渐产生的。用上述三种蛋白的基因分别作探针，对三种细胞中提取的总DNA的限制性酶切片段进行Southern杂交实验。,本质：细胞的基因组相同，但表达谱不

2、同；使细胞能行使不同的功能（分工）；,不同的细胞类型（cell types)中，DNA相同，mRNA种类不同，蛋白质种类不同。结论：相同的基因组在不同细胞中的选择性表达；细胞分化是基因选择性表达的结果。,（二）组织特异性基因与管家基因,细胞分化过程是由一系列基因产物（regulatory proteins）调控的。i.e., 每个基因的表达都必须：在正确的细胞中；在正确的时间；对正确的信号产生正确的反应；产生正确的表达水平。问题：细胞是如何协调（coordinate）这一过程的？,（三）组织特异性基因调控的基本模式,组合调控概念：有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化,组合调控引发

3、组织特异性基因的表达,分化启动机制：在启动细胞分化的各类调节蛋白组合中，其中往往是只有一两种调控蛋白是起决定性的因子。这样，单一调控蛋白就有可能启动整个的细胞分化过程。,体外培养的来自皮肤结缔组织的成纤维细胞,转入关键性调控蛋白MyoD,皮肤结缔组织的成纤维细胞表现出骨骼肌细胞的特征: 如表达大量的肌动蛋白和肌球蛋白构成收缩器，并融合成肌细胞样的多核细胞等。,借助于组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与其它调控蛋白形成适当的调控蛋白组合，不仅可以将一种类型的细胞转化成另一种类型的细胞，而且遵循类似的机制，甚至可以诱发整个器官的形成。,例子：果蝇眼形成的关键调控蛋白ey,Ey蛋白除了能启动细胞某

4、些特异基因的表达，诱导某类分化外，其启动的某些基因本身可能又是另一些基因调节蛋白，它们进一步启动其他特异基因表达，诱导分化更多的细胞类型，形成由多种不同类型细胞组成的有序三维群体即导致器官形成。,第三节 影响细胞分化的因素,是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。,细胞的全能性(totipotency)：,e.g.，受精卵、早期胚胎细胞；,植物体细胞胚胎发生（plant somatic embryogenesis）,（基础、内因）,动物细胞的全能性,如蛙skin细胞核移植后发育成蝌蚪 Dolly羊的诞生说明高度分化的哺乳动物体细胞核也具有发育全能性,Dolly: A lamb

5、with no father,高度分化的动植物体细胞，在遗传背景（基因组DNA)和功能上均是全能的。,多莉羊的克隆,细胞核始终保持其分化的全能,胚胎干细胞（embryonic stem cell,ES细胞）,指从原始生殖细胞或着床前的内细胞团获得的一种具有多潜能性、可发育成为各种细胞、同时可保持不分化状态而持续生长的克隆细胞系。,( 胚胎) 滋养层,a.取自终止妊娠的胎儿的性器官组织。,人胚胎干细胞的来源,b.取自体外受精胚胎囊胚期内层细胞。,c.通过体细胞核转移技术获得,胚泡,用于制造转基因动物,受精后第 3.5 天的囊胚,骨髓多能造血干细胞，它可分化出十二种血细胞，但不能分化出造血系统以外

6、的其它细胞。,多能干细胞（stem cell）,动物细胞随着胚胎的发育，细胞丧失了发育成个体的能力，仅具有分化成有限细胞类型及构建组织的潜能，这种潜能称为多潜能性。具有多潜能性的细胞称为多能干细胞。,单能干细胞 Monopotential stem cell,终末分化:由定向干细胞最终形成特化细胞类型的过程。,只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化。如上皮组织基底层的干细胞。,从全能性到多能性，再到单能性，最后失去分化潜能成为成熟定型的细胞。,可以定义为一类具有分裂和分化能力的细胞。,干细胞,1胞外信号分子对细胞分化的影响,（二）影响细胞分化的因素,胚胎诱导:早期胚胎发育过程中，一部分细

7、胞会影响周围细胞使其向一定方向分化，这种作用称近端组织的相互作用，也称为胚胎诱导。,近端组织的相互作用是通过细胞旁分泌产生的信号分子旁泌素（又称细胞生长分化因子）来实现的。,眼的发生中本身的逐级诱导过程。正常情况下，早期的视泡诱导与之接触的外胚层上皮细胞发育成晶状体，随后在视泡和晶状体的共同诱导下外面的表皮细胞形成角膜。如果把早期的视泡移植在头部的其它部位，也可诱导与之接触的外胚层发育成晶状体。,例证,这种作用出现在发育的晚期,激素引起的反应是按预先决定的分化程序进行的,其作用主要是引起靶细胞进行分化。例如无尾两栖类的幼体发育要经过一变态阶段,在此阶段中发生的变化有蝌蚪的尾鳍和尾部被吸收,前后

8、肢形成等。这些变化与甲状腺分泌的甲状腺素有关系。,远距离细胞间相互作用对细胞分化的影响主要是通过激素来调节的,例如果蝇成虫盘的移植实验。 果蝇成虫盘是幼虫体内的未分化的细胞团，决定成虫的腿、翅、触角和躯体的其他结构。 将幼虫的成虫盘一部分进行移植实验 ：移植到另一幼虫体内按决定方向发育分化。 成虫盘移植到成虫体内-果蝇腹腔不断增殖保持未分化状态，时间长达9年，繁殖1800代后，再取出移植到幼虫体内，当幼虫变态时，被移植的成虫盘细胞仍发育成相应结构,2. 细胞决定的稳定性和遗传性,定义：是指一个细胞接受了某种指令，在发育中这一细胞及其子代细胞将区别于其它细胞而分化成某种特定的细胞类型，或者说在形

9、态、结构与功能等分化特征尚未显现之前就已确定了细胞的分化命运。,正反馈途径（positive feedback loop）即细胞接受信号刺激后， 活化转录调节因子，该因子不仅诱导自身基因的表达， 还诱导其它组织特异性基因的表达,本质：特定的基因表达谱式在细胞增殖过程中的传递。,b.染色体结构变化（DNA 与蛋白相互作用）的信息传到子代细胞 染色质构型（e.g., 常染色质和异染色质）,3.受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响,动物卵细胞中贮存有大量mRNA，呈非均匀分布； 细胞分裂时胞质不均等分配，子细胞所得胞质成分不完全相同。,细胞所处的位置不同对细胞分化的命运也有明显的影响。实验证明，改

10、变细胞所处的位置可导致细胞分化方向的改变，这种现象称位置效应。“位置信息”是产生效应主要原因。,4. 细胞位置效应,所谓位置信息，即各细胞群或组织，接受所处的空间位置的发育指令。,其中典型的例子是许多爬行动物，如蜥蜴类的A.agama，E.macularius，它们在较低温度条件下（24度）全部发育为雌性，而温度提高（32度）则全部发育为雄性。龟类的T.graetta，C.caretta又出现相反的情况，即在较低温度条件下全部发育为雄性，而温度提高则全部发育为雌性。另外，有一种蜗牛类的软体动物Crepidula，它们的性别决定取决于个体间的相互位置关系，在它们形成的上下相互叠压的群体中，位于下

11、方的个体发育为雌性，而位于上方的个体发育为雄性。人们对于环境影响性别的机制还不清楚.,5环境对性别决定的影响,癌细胞（cancer cell）,肿瘤（tumor）在致瘤因素作用下，细胞在基因水平上失去对其生长的正常调控，导致异常增生。 良性肿瘤：生长缓慢，与周围组织边界明显。 恶性肿瘤：癌症(cancer)，生长快、具有迁移性。 肿瘤组织由实质和间质两部分构成，实质是肿瘤细胞，间质由结缔组织和血管组成。,第一节 癌细胞的主要特征,HeLa cancer cells,1.细胞生长与分裂失去控制，具有无限增殖能力。,2.具有浸润性和扩散性，癌细胞失去与细胞间和细胞外基质间的连接，易于从肿瘤上脱落。

12、许多癌细胞具有变形运动能力，并且能产生酶类，使血管基底层和结缔组织穿孔，使它向其它组织迁移。,3.细胞间相互作用改变-接触抑制丧失和锚定依赖性丧失,5.染色体非整倍性,4. mRNA的表达谱及蛋白活性改变在分化程度上癌细胞低于良性肿瘤细胞，且失去了许多原组织细胞的结构和功能。常表达一些胚胎细胞表达的蛋白。,Pancreas cancer,癌症产生是基因突变积累和自然选择的结果 癌症主要是体细胞突变产生的遗传病，涉及到两大类与细胞增殖相关的基因的突变。,原癌基因（proto-oncogene）：是细胞的正常基因，它们编码的蛋白质是维持正常细胞生命活动所必须的，通常参与细胞的生长与增殖的调节。原癌

13、基因突变后成为促癌的癌基因，导致细胞癌变，也称为细胞癌基因(cellular oncogene，c-onc)。,第二节 癌基因与抑癌基因,原癌基因产物：生长因子 生长因子受体 信号转导组分 细胞凋亡调节蛋白 转录因子,有些癌基因编码活性过度的受体或活性过强的细胞内信号转导蛋白，它们可在没有外源信号的情况下促使细胞过度增殖而癌变.,原癌基因突变: Gain-of-function mutations,Bcl-2 oncogene:Prevent apoptosis,Ras oncogene: Retain bind GTP,2.抑癌基因,是一类抑制细胞过度生长、增殖从而遏制肿瘤形成的基因，也称为

14、抗癌基因。抑癌基因的丢失或失活可能导致肿瘤发生。 抑癌基因的产物： 转录调节因子，如Rb、p53， 负调控转录因子，如WT， 周期蛋白依赖性激酶抑制因子（CKI），如p15、p21 信号通路的抑制因子，如ras GTP酶活化蛋白GAP DNA修复因子，如BRCA1、BRCA2,RB基因即成视网膜细胞瘤基因，为视网膜母细胞瘤易感基因，基因转录产物约4.7kb，产物为928个氨基酸组成的蛋白质分布于核内，是一类DNA结合蛋白。Rb蛋白的磷酸化去磷酸化是其调节细胞生长分化的主要形式，在细胞周期的G。、G1期，它表现为去磷酸化，在G。、S、M期则处于磷酸化状态。,RB基因 (Retinoblastom

15、a gene),抑癌基因的突变是隐性的。,Rb bind with E2F transcription factor,p53基因,人体抑癌基因。该基因编码一种分子量为53kDa的蛋白质，命名为P53。P53蛋白主要集中于核仁区，能与DNA特异结合，在G1期检查DNA损伤点，监视基因组的完整性。如有损伤，P53蛋白阻止DNA复制，以提供足够的时间使损伤DNA修复；如果修复失败，P53蛋白则引发细胞凋亡;如果p53基因的两个拷贝都发生了突变，对细胞的增殖失去控制，导致细胞癌变。,十种食物不宜多吃,松花蛋铅 臭豆腐 微生物 味精 谷氨酸含量高，影响钙镁离子的利用 方便面色素、防腐剂 葵花子 不饱和脂肪酸，影响肝功能 菠菜草酸 猪肝胆固醇含量高，会导致动脉硬化 烧牛羊肉致癌物 腌菜硝酸胺 油条明矾 天天吃会导致老年痴呆,细胞分化 干细胞 全能性 癌基因（oncogene ） 原癌基因（proto-oncogene） 抑癌基因（tumor-suppressor gene） 管家基因(house-keepinggenes）,复 习 题,