细胞分化与基因表达调控

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1、受精卵内具有个体发育的全部遗传信息, 个体是细胞在生长与分裂的基础上，经不断分化发育而来。第十三章细胞分化与基因表达调控 细胞分化 干细胞 癌细胞 真核基因表达调控思考1. 细胞分化是否意味着细胞中遗传物质 发生改变？为什么? 遗传物质没有改变，不同组织的细胞共同来源于受精卵，经有丝分裂产生。如果只有细胞增殖，没有细胞分化，就只能形成一细胞团，而不能形成人体。思考2. 同样来自一个受精卵，且每个细胞都 携带有相同的遗传信息，为什么还会出现差异?细胞分化的关键：由于基因的选择性表达，合成特异性蛋白质，导致形态、结构和功能各异的细胞 分化的主要标志：细胞内开始合成新的特异性蛋白质。细胞分化是个体行

2、使正常功能的保证。 本质：细胞的基因组相同，但表达谱不同；使细胞能行使不同的功能（分工）； 核心：基因是如何有序表达的？（调控）。第一节 细胞分化与个体发育一、基本概念细胞分化（cell differentiation）： 在个体发育中，由同一种类型的细胞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 各不相同的细胞类群的过程。 是个体发育的基础和核心。通常，细胞分化是指细胞表型变化:肌细胞神经细胞表皮细胞貝有传导神经信息的功能 （伸出长的突起）貝育收绍功能 （呈梭形或柱形）具有保护功能（呈扁平形）貝有携带氧和二氧化碳的功能 （呈 圆盘状）细胞分化的表现是产生不同结构和功能的细胞其实

3、质是由于特异功能蛋白质的合成。如:神经细胞T传导神经信息T神经递质;肌细胞T收缩作用T肌动蛋白和肌球蛋白;表皮细胞T保护作用T角蛋白血红蛋白由四条链组成，两条a链和两条B链，每一条链有一个包含一个铁原子的环状血红素。氧气结合在 铁原子的继血液运输。二、细胞分化的特点1. 稳定性：即在正常生理条件下，细胞的分化状态一旦确定，将终生不变，既不能逆转也不能互变。如：离体培养的上皮细胞，始终保持为上皮细胞，而不会变成其他类型的细胞。2、去分化：在特定条件下，高度分化的细胞可以重新分裂而回得到胚性细胞状态，这种现象叫做去分化 (dedifferentiation) 。例如：正常分化的细胞射线.药物.毒物

4、癌细胞1958年Steward用胡萝卜根培养出完整的新植株，说明已经高度分化的细胞可以重新分裂而回得到胚性细胞 状态，这种现象叫做去分化或称脱分化，然后通过再分化形成根茎，最终发育成完整的新植株。3、转分化和再生转分化(trans-differentiation):由一种分化的 细胞类型转化为另一种细胞类型。转分化：去分化再分化增殖(dediflerentiation)(rediflerentiation)再生：指生物体缺失一部分后发生重建的过程。重新启动细胞周期(GOM)去再分化例子：植物细胞愈伤组织根芽形成一植株再生动物：伤口愈合；肝再生；低等生物的肢体再生；etc. 细胞分化具有时间性和

5、空间性单细胞生物：时间性多细胞生物：时间性空间性时间性： 指不同的发育时间内细胞之间的差异。空间性：指处于不同空间位置中的同一种细胞的后代之间出现的差异。5、持久性 生物体普遍存在分化，细胞分化发生在整个生命进程中。 胚胎期是重要的细胞分化时期。 细胞分化发生于细胞增殖的G1期细胞的分裂能力往往随着细胞分化程度的提高而有所下降。6、遗传物质不变性 细胞分化是伴随细胞分裂进行的； 亲代与子代细胞之间在形态、结构与功能之间发生变化，但遗传物质没有发生变化。细胞分化的潜能随分化进程越变越小：全能性-多潜能性单能性 但细胞核可始终保持分化的全能性。已分化细胞：全能性细胞核细胞核的全能性青蛙的皮肤细胞核

6、培育出新个体既然细胞核是全能性的，每个有核细胞都携带着相同的遗传信息，为什么还会出现不同的分化？三、细胞分化的分子基础细胞分化实质是基因选择性表达的结果 哪些基因参与细胞分化方向的确定，导致特异性蛋白质的产生？管家基因和奢侈基因 管家基因(housekeeping genes)：维持细胞基本功能所必需的基因，在所有细胞类型中均表达，不 参与细胞分化方向的确定e.g.,表达染色体的组蛋白、肌动蛋白、微管蛋白、核糖体蛋白的基因etc. 组织特异性基因(奢侈基因) (tissue-specific genes) :表达细胞分化时出现的特异蛋白质的基因，参 与细胞分化方向的确定。如表达红细胞中血红蛋白

7、的基因、表达肌细胞中肌动蛋白和肌球蛋白基因etc.调节基因(regulatory genes):调节 奢侈基因 的表达。 结论：细胞分化的实质是组织特异性基因在时间与空间上的差异表达。(一)细胞分化是基因选择性的表达基因差异表达：细胞分化并不是基因组DNA全部表达，而是奢侈基因按一定程序，有选择地相继活化表达。不同细胞：相同 DNA不同 RNA不同 PRO分子杂交实验证明：细胞分化是基因选择性表达的结果。分化细胞间的差异往往是一群基因表达的差异，而不仅仅是一个基因表达的差异分子杂交技术检测基因及其表达所以细胞分化的实质是基因的差别表达(differential expression)二)组织特

8、异性基因调控的基本模式细胞分化过程是由一系列基因产物（regulatory proteins）调控的。机制：1、组合调控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：细胞是如何协调这一过程的？ 组合调控引发组织特异性基因的表达组合调控（combinational control）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 的调控机制。即每种类型的细胞分化是由多 种调控蛋白共同调节完成的。生物学作用： 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

9、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（如眼的发 育）。分化启动机制：靠一种关键性调节蛋白通过对其他调节蛋白的级联启动。答案：一个关键的调控蛋白，可以调控一系列下游基因，完成细胞分化。组合调控：少数调控蛋白完成众多细胞类型的分化比喻：调控蛋白，如同单词和文章。Limited words unlimited meaning单细胞有机体的细胞分化单细胞与多细胞有机体细胞分化的不同之处：前者多为适应不同的生活环境，而后者则通过细胞分化构 建执行不同功能的组织与器官。多细胞有机体在其分化程序与调节机制方面显得更为复杂。四、影响细胞分化的因素 （一）影响细胞分化的内在因

10、素卵细胞质细胞核的作用核质相互作用（1）卵细胞质的作用卵细胞质的作用：细胞决定，即决定细胞分化的方向。 作用时间：胚胎发育早期（卵裂期）细胞决定 细胞在发生可识别的形态变化之前，就已经受到约束而向特定方向分化，这时细胞内部已经发生变化， 确定了未来的发育命运。分化方向决定后，一般不会中途改变。以蛙为例：蛙受精卵的细胞质是不均质的，这种不均质性, 对胚胎的早期发育具有很大影响，在一定程度上决定细胞的 早期分化。细胞决定鸡胚：移植前，肢芽（长出大腿）和翼芽（长出翅膀）两处细胞形态相同，均未分化。 肢芽组织块移植至翼芽部位，结果：翼尖为脚趾。（2）细胞核的作用在细胞分化中，细胞核起着决定性的作用。

11、第一、遗传物质决定性状，而遗传物质位于细胞核内。第二、从全能细胞T多能细胞-单能细胞，是细胞核内基因选择性表达的结果。（3）核质相互作用 细胞核中的基因对细胞质的代谢起调节作用； 细胞质对核内基因的活性有控制作用；因此，核质的作用是相互的，紧密联系着的，共同影响着细胞 分化。（二）影响细胞分化的外在因素细胞间的相互作用环境因素细胞间的相互作用1、诱导式的相互作用细胞的诱导（induction）：是指一部分细胞接受外部信号后使邻近细胞的形态发生变化，并决定其分化方向 的作用。诱导现象在动物的胚胎发育过程中是普遍存在的。2. 相邻细胞的侧向抑制 已分化的细胞可产生抑素，这种化学介质可抑制邻近的细胞

12、进行相同的分化，可避免器官重复发育 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。1.胞外信号|近端因子：细胞接触；旁分泌；自分泌；缝隙连接环境i胞外信号-远端因子：内分泌（激素）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； 视泡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）影响细胞分化的外在因素 环境因素：温度、光线等。 由环境因素的影响可能造成第一次不等分裂，从而决定了细胞的分化。 环境-基因表达-细胞分化-性状（e. g.,性别决定，癌）不E亦4超=牛心十冋旳厂如丿血二 二一= 亍如丿他暗丿氏眉国g更冋 lYij 上反 刃 FTJ g ail

13、 JJfeL第二节 细胞分化的潜能一、全能性生物体中的一个体细胞或一个性细胞在一定条件下，有能力重新形成完整的个体，或者分化形成该个体任何 种类的细胞。此特性称为“细胞全能性”。细胞分化经历一个分化能力逐渐受限制的过程 多潜能细胞：只具有演变为多种细胞类型的能力。 单能细胞：仅具有分化形成某一种类型细胞的能力。共同规律：全能 多能 单能已分化细胞：全能性细胞核 二、干细胞干细胞(Stem cell):在个体发育过程中，具有自我复制能力，既可以通过细胞分裂维持自身细胞数量，也 可进一步分化成一种以上类型细胞的多潜能细胞。干细胞的分类厂来源干细胞一胚胎干细胞(embryonic stem cell

14、s, ESC )成体干细胞：造血(骨髓)干细胞神经干细胞肝脏干细胞功 能多潜能干细胞(pluripotent stem cells)定向干细胞(directional stem cells )干细胞的基本特性 通常呈圆形且具有不同的生化特性。增殖速度通常很慢。 不同干细胞具有不同的分化潜能。 干细胞的增殖与分化主要受其微环境的调控。细胞分化与机体的正常功能：第三节 细胞分化与癌细胞 癌细胞：由于基因的突变，导致动物体内某些已分化的细胞的生长和分裂失控，脱离了衰老和死亡的正常途 径，而成为无限增殖的细胞，称为癌细胞或肿瘤细胞(tumor cell)。比喻：动物体(人)个特殊的“社会”(socie

15、ty);细胞一“社会”中的个体(individuals);原则一“个体”的自我牺牲(self-sacrifice);癌细胞 “社会”中的“不轨分子”(违反上述原则， “疯狂增殖”)。过程：基因表达谨细胞活动的异常（周期，粘附性，凋亡，移动性，）1 r本质：体细胞基因组的改变（突变的积累）生癌症是由众多因素引发的“基因病”（gene disorder）（体细胞）;有别于通过性细胞传递的遗传病”（genetic disorder）复杂性：美国“攻克癌症”的十年计划的失败，v癌细胞的特征肿瘤（tumor）_ 良性肿瘤（benign）:不转移 （分裂失控）I恶性肿瘤（mMigimiit）:转移、侵润上皮组织：癌（grcinoum）癌（ca