细胞分化与基因调控王玉娟

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1、细胞分化与基因调控,第 十 七 章,细胞分化与基因调控,第一节 细胞分化的基本概念 第二节 胚胎细胞的分化 第三节 细胞分化的外在影响因素 第四节 细胞分化的基因表达 第五节 细胞分化与癌变,第一节 细胞分化的基本概念,细胞分化是指胚胎细胞分裂后未定型的细胞，在形态和生化组成上向专一性或特异性方向分化，或由原来较简单、具有可塑性的状态向异样化稳定状态进行分化的过程。 高等生物体都是由受精卵发育而成的，在发育过程中，通过细胞增殖增加细胞的数量，通过细胞分化形成不同类型的细胞。,所以，细胞分化也就是一种类型的细胞在形态结构、生理功能和生物化学特性等方面，稳定的转变成多种不同类型细胞的过程。 细胞分

2、化过程中，细胞形态结构发生变化的同时，生化特性和生理功能也发生相应的变化，因此细胞的形态结构、生化特性和生理功能可作为识别细胞分化的3项指标。,第一节 细胞分化的基本概念,例如，成熟红细胞中间凹陷，呈圆盘状，无核，产生血红蛋白，具有携带氧和二氧化碳的功能；神经细胞多突起，产生神经递质，具有传导信息的功能。这些都是典型分化细胞的标志。,个体,组织、器官、系统,细胞分化示意图,脊椎动物的发育从受精开始,卵细胞含有供形成胚胎所需的营养成分，受精触发后，精子只提供小而致密的核，称为雄性原核，与雌性原核融合 受精卵的早期分裂称为卵裂 受精后30h，受精卵向子宫方向移动，并迅速进行卵裂 约在第三天，卵裂球

3、形成由12-16个细胞，形似桑葚的桑椹胚 当细胞由32-64个细胞组成时，桑椹胚内逐渐形成空隙，形成中空的球形结构，叫胚泡 胚泡阶段，可以明显区分两种类型的细胞，胚极滋养层和内细胞团,胚泡进入子宫内膜层的过程叫做，植入。 植入中的胚泡，逐渐形成3层，其中， 外胚层 表皮，神经组织， 中胚层 真皮，骨骼，肌肉，心脏，血管，血细胞，结缔组织 内胚层 肺，肝，胰，消化道上皮等内脏器官,脊椎动物的发育,细胞分化是基因选择性表达的结果。 换句话说，基因表达的差异形成形态、功能各异的细胞。 从分子水平上看，细胞分化意味着机体内不同细胞中有不完全一致的基因活性，而表现为某些特异性蛋白质的合成。,第一节 细胞

4、分化的基本概念,第一节 细胞分化的基本概念,比如，红细胞的血红蛋白，浆细胞的抗体和输卵管细胞的血清蛋白 这是由于在特定细胞中，某些基因在一定时间内，选择性的激活，因此，基因表达的调控是研究细胞分化的核心问题。 只有了解基因调控的复杂机制后，才能在分子水平上阐明细胞分化更精细的过程。,第二节 胚胎细胞的分化,细胞分化可以出现在生物体的整个生命过程中，但分化最重要的时期是胚胎期，此时，细胞分化的表现最典型、最迅速，并且受许多因素的影响。,一 胚胎细胞分化的潜能与决定,细胞做出的发育选择称为细胞决定。在生物体发育的早期阶段，所有细胞都有发育成不同组织或细胞类型的潜能，这种潜能称为全能性。,第二节 胚

5、胎细胞的分化,但事实上，并非胚胎早期细胞能随意分化成某一细胞类型或组织，细胞只能按照已做出的发育选择，向决定的方向分化。,第二节 胚胎细胞的分化,一 胚胎细胞分化的潜能与决定,在胚胎3胚层形成后，随着细胞空间关系和微环境的差异，各胚层细胞的发育去向就已经决定下来了。这些细胞分化潜能被局限化，只能发育成为本胚层的组织、器官。,第二节 胚胎细胞的分化,一 胚胎细胞分化的潜能与决定,在发育过程中，各器官的预定区逐渐出现，细胞分化的潜能进一步局限化。此时的细胞具有演变成多种表型的能力，称为多能细胞。再进一步就是向专能稳定型分化。因此细胞决定是发育潜能逐渐局限化的过程，即选择基因表达的过渡阶段，此时细胞

6、虽然还没有可分辨的分化特征，但已具备向某一特定方向分化的能力。,第二节 胚胎细胞的分化,一 胚胎细胞分化的潜能与决定,受精卵每次卵裂，细胞核内的物质，包括基因组都均匀的分配到子细胞内，所以子细胞中的遗传物质是相同的。但受精卵细胞质各区的组分并不相同，卵裂使不同的胞质组分分割进入各卵裂细胞。,第二节 胚胎细胞的分化,二 细胞质的作用,从卵母细胞开始，细胞质或表面区域就是不均质的，这种不均质性，对胚胎的早期发育有很大影响，在一定程度上决定细胞的早期分化。这些特殊物质被称为决定子，决定子支配着细胞分化途径。,第二节 胚胎细胞的分化,二 细胞质的作用,第二节 胚胎细胞的分化 二 细胞质的作用,决定子在

7、卵母细胞中已经形成，受精卵在数次卵裂过程中，决定子一次次的重新改组，分配。卵裂后决定子的位置固定下来，并分配到不同的细胞中，子细胞便产生差别。,细胞质通过氧化磷酸化和无氧酵解为细胞提供了大部分能量，其中核糖体还含有几乎全部蛋白质合成所需要的组装。 细胞核可提供mRNA和其他核酸分子（tRNA和rRNA）的合成模板。,第二节 胚胎细胞的分化,三 核质的相互作用,因此，核和质的作用是相互依存不可分割的，一方面细胞核中的基因对胞质的代谢起调节作用，另一方面细胞质对核内基因的活性有控制作用。,第二节 胚胎细胞的分化,三 核质的相互作用,（一）细胞质对细胞核的作用 细胞分化过程中，细胞核的遗传潜力，即核

8、基因的活性，受核所在的胞质环境的控制。如，鸡红细胞和Hela细胞融合后，鸡的红细胞核被重新激活。,第二节 胚胎细胞的分化,三 核质的相互作用,第二节 胚胎细胞的分化 三 核质的相互作用,鸡的红细胞是终末分化细胞，DNA和RNA 的合成能力很低。它与Hela 细胞杂交形成的异核体中，红细胞核的体积扩大20倍，染色质分散，DNA和RNA的合成能力增高并出现核仁，基因表达也被激活。说明基因表达的激活是Hela细胞质调节的结果,（二）细胞核对细胞质的作用 在细胞分化过程中，细胞核起着重要的作用因为遗传物质存在于细胞核中，生物的任何性状的出现均是由遗传物质决定的。分化细胞之所以能合成特异的蛋白质，就是由

9、于细胞核内基因组的选择性表达，这是细胞分化的基础。,第二节 胚胎细胞的分化,三 核质的相互作用,第二节 胚胎细胞的分化 三 核质的相互作用,真核细胞的基因是和蛋白质结合的，以染色质的形态存在于细胞核内，其中，组蛋白对蛋白的表达具有抑制作用，没有组织特异性；非组蛋白对蛋白表达有组织特异性，可以使基因解除抑制，表达转译出相应的蛋白质。由于细胞核的内环境不同，在非组蛋白的作用下，一些基因开放，一些基因被抑制。,第二节 胚胎细胞的分化 三 核质的相互作用,不同的分化细胞其细胞核中基因开放的类型不同，经转录和转译后在细胞质中形成不同类型蛋白质，造成细胞质的异质性。细胞质的变化又反过来作用于细胞核，二者的

10、相互作用引导细胞分化的进行。,生物体的性状，包括细胞内的物质代谢变化，都是遗传物质决定的。 实验证明生殖细胞和体细胞的决定受染色体物质多少的控制，而染色体物质的正常与否又受到细胞质的控制,第二节 胚胎细胞的分化,四 细胞分化的遗传基础,第三节 细胞分化的外在影响因素,细胞分化不仅决定于细胞本身核、质关系，还与细胞间的相互作用密切相关。如细胞间的分化诱导作用、位置信息以及激素等，对细胞的分化与形态发生均起重要的作用。,一 胚胎诱导对细胞分化的作用,在动物胚胎发育过程中，一个细胞与邻近细胞的相互作用，在细胞分化中起着重要作用。各胚层之间能相互促进细胞分化和组织器官发生，这种现象称为胚胎诱导，一般发

11、生在内胚层和中胚层或外胚层和中胚层之间。,第三节 细胞分化的外在影响因素,中胚层独立分化的能力最强，其诱导分化的作用也就最强。中胚层可作用于相应部位的外胚层或内胚层细胞，而导致不同胚层细胞合成组织特异性蛋白质，出现组织分化。,一 胚胎诱导对细胞分化的作用,第三节 细胞分化的外在影响因素,从诱导的层次上看，胚胎诱导可分成三级 初级诱导 次级诱导 三级诱导,一 胚胎诱导对细胞分化的作用,第三节 细胞分化的外在影响因素,第三节 细胞分化的外在影响因素 一 胚胎诱导对细胞分化的作用,如脊索中胚层诱导其表面覆盖的外胚层发育成神经板，是初级诱导；神经板卷成神经管后，前段膨大成原脑，其两侧突出的视杯再诱导视

12、杯上方的外胚层形成眼晶状体，是刺激诱导；晶状体再诱导其表面的外胚层形成角膜，是三级诱导。,第三节 细胞分化的外在影响因素 一 胚胎诱导对细胞分化的作用,例，蝾螈的外胚层形成神经组织便受到位于其下方的中胚层的诱导。Spemann把一种灰色蝾螈早期原肠胚的胚孔背唇(来源于中胚层）移植到另一种黑色蝾螈的原肠胚的囊胚腔内，结果宿主胚胎形成两套神经系统，甚至能形成两个完整的胚胎。这就是背唇的诱导作用。,第三节 细胞分化的外在影响因素 一 胚胎诱导对细胞分化的作用,皮肤由表皮和真皮组成，表皮来源于外胚层，真皮来源于中胚层。皮肤上的羽毛，鳞片等衍生物是表皮细胞分裂，合成特异性蛋白质的结果。表皮不同衍生物的合

13、成是由真皮控制的。如鸡的皮肤在背部和翅膀上有羽毛，而爪部有鳞片，如果将胚胎爪部的表皮置换到胚胎背部，从爪部皮肤发育出来的是羽毛，就不是鳞片。这说明，表皮形成的衍生物取决于其下的真皮。,在组织、器官的建成中，细胞受到某种指令的控制，从而使动物躯体的组织、器官的大小、形态受到控制。在特化区域中，细胞生长在空间上的局限性对形态发生具有重要作用，可使特化的组织器官保持一定大小的形态和空间位置。因此，位置信息就是使细胞能正确的按发育指令进行形态构建。,第三节 细胞分化的外在影响因素,二 位置信息在细胞分化中的意义,在胚胎细胞发育早期，邻近细胞间的相互作用可诱导细胞分化；发育晚期，细胞分化还受到激素的调节

14、。激素由血液循环输送到不同部位，影响细胞分化，所以远距离的作用主要依靠激素。,第三节 细胞分化的外在影响因素,三 激素对细胞分化的调节作用,由于激素是在发育后期产生作用的，因此，激素所引起的反应是按预先决定的分化程序进行的，主要是引发靶细胞进行分化。例如，蝌蚪的发育，蝌蚪生活末期，腺垂体细胞在下丘脑分泌甲状腺素的影响下，向血液中分泌甲状腺素。甲状腺素对尾部可促进组织破坏，尾部退化，最后完全被吸收，对肢芽，甲状腺素则可促进其生长和分化。,第三节 细胞分化的外在影响因素,三 激素对细胞分化的调节作用,在动物出生后，成体的许多组织都保留有一部分未分化的细胞，一旦需要，这些细胞便可按发育途径，先进行细

15、胞分裂，然后经过分化产生分化细胞。机体中这部分未分化的细胞就叫干细胞。,第三节 细胞分化的外在影响因素,四 人体胚胎干细胞及其他干细胞的生物学医学意义,第三节 细胞分化的外在影响因素,干细胞的特点： 干细胞本身不是终末分化细胞 无限分裂 干细胞分裂产生的子细胞只能在两种途径中选择其一，或保持亲代特征，仍作为干细胞，或不可逆地向终末分化。,胚胎干细胞,四 人体胚胎干细胞及其他干细胞的生物学医学意义,干细胞分类： 多能干细胞 子细胞分化产生两种以上类型的细胞，如骨髓造血干细胞 专能干细胞 子细胞只能分化为单一类型的细胞，如肌肉的卫星细胞能分化成骨骼肌细胞，精原细胞分化成精子 骨髓造血干细胞属于多能

16、干细胞，具有产生多种类型血细胞的潜能。多能干细胞具有自我增值和分化两种功能。多能造血干细胞增值、分化而产生定向干细胞，定向干细胞再分化产生分化细胞,定向干细胞与多功能干细胞不同，是各系的母细胞。其特点如下： 1，定向干细胞已有所分化，失去多方向分化的能力，只能向一系或相关的两系分化； 2，增殖能力不是无限的，只能分裂数次； 3，在定向干细胞上，有对某种调节因子起反应的结构。如，在原红细胞上，有促红细胞生成素受体，在促红细胞生成素的作用下，可经分化的原始，幼稚，成熟阶段，形成成熟的红细胞。其他种类的定向干细胞则没有相应结构，不能分化成红细胞。,第四节 细胞分化的基因表达,细胞分化使同一来源的细胞产生形态结构、生化特性、生理功能上的差异。 从分子水平来看，这是由于特定基因活化的结果。特定基因表达后合成某些特异性蛋白质，执行特殊功能，因此，细胞分化的问题在本质上就是基因表达调控的问题。实际上，并非细胞中所有基因都参与细胞分化过程。,细胞内与分化有关基因按功能可以分为两类： 1.管家基因，它编码维持各种细胞基本活动所必需的结构和功能蛋白质