《细胞生物学课件：13-细胞的分化(3)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《细胞生物学课件：13-细胞的分化(3)（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、细胞分化细胞分化Celldifferentiation1n人们早就知道构成人体的所有细胞均来自人们早就知道构成人体的所有细胞均来自于受精卵，但对受精卵如何发育成个体，于受精卵，但对受精卵如何发育成个体，却争论了许久。却争论了许久。2n在个体发育过程中，受精卵产生的同源细胞在在个体发育过程中，受精卵产生的同源细胞在形形态结构态结构、生理功能生理功能、生化特征生化特征等方面逐发生稳定等方面逐发生稳定性差异的过程称为细胞分化性差异的过程称为细胞分化(celldifferentiation)。个体发育的全过程都有分化的进行个体发育的全过程都有分化的进行-不仅发生在胚胎发育中，而且在不仅发生在胚胎发育中
2、，而且在胚后发育中也继续进行。胚后发育中也继续进行。3特异性蛋白的合成特异性蛋白的合成使细胞分化产生不同的类型使细胞分化产生不同的类型- -细胞的多样性细胞的多样性4细胞决定选择分化方向细胞决定选择分化方向n细胞决定细胞决定（cell determination）：细胞在发细胞在发生可识别的分化特征之前，细胞内部已经生可识别的分化特征之前，细胞内部已经发生了变化，确定了未来的发育命运，只发生了变化，确定了未来的发育命运，只能向特定方向分化的状态。能向特定方向分化的状态。5分化分化的稳定性的稳定性（stability）n在在正正常常生生理理条条件件下下，已已经经分分化化为为某某种种特特异异的的、
3、稳稳定定类类型型的的细细胞胞就就不不可可能能逆逆转转到到未未分分化化状状态态或或者者成成为为其其他他类型的分化细胞。类型的分化细胞。n细胞决定具有遗传稳定性。细胞决定具有遗传稳定性。n终终末末细细胞胞在在形形态态结结构构和和功功能能上上保保持持稳定是个体生命活动的基础。稳定是个体生命活动的基础。6多细胞生物的分化有时空性并与细胞分多细胞生物的分化有时空性并与细胞分裂相关裂相关n不同的发育阶段、不同的空间位置，可以形成不不同的发育阶段、不同的空间位置，可以形成不同具有不同形态结构和功能的细胞。同具有不同形态结构和功能的细胞。n细胞分化与分裂：细胞分化发生于分裂的细胞分化与分裂：细胞分化发生于分裂
4、的G1期，期，当当G1期很短或几乎没有期很短或几乎没有G1期时，细胞分化减慢。期时，细胞分化减慢。7细胞的分化潜能细胞的分化潜能 n细胞的全能性细胞的全能性（cell totipotency）是指单个细胞在是指单个细胞在一定条件下增殖、分化、发育成为完整个体的能一定条件下增殖、分化、发育成为完整个体的能力。具有这种能力的细胞称为全能性细胞力。具有这种能力的细胞称为全能性细胞（totipotent cell）。8n一个全能细胞应该具有表达其基因组中任何一种一个全能细胞应该具有表达其基因组中任何一种基因的能力。基因的能力。n理论上，每个配备了完整基因组的细胞，包括体理论上，每个配备了完整基因组的细
5、胞，包括体细胞和生殖细胞，都应该是全能性的。但实际上细胞和生殖细胞，都应该是全能性的。但实际上体细胞表达基因的能力比性细胞要低得多。体细胞表达基因的能力比性细胞要低得多。卵细胞具有较大的潜在全能性（孤雌生殖，即一卵细胞具有较大的潜在全能性（孤雌生殖，即一个卵细胞可分化成所有各种类型的细胞）。个卵细胞可分化成所有各种类型的细胞）。9n受精卵能表现出最高的全能性，除无性繁受精卵能表现出最高的全能性，除无性繁殖外，个体中的每一个形态和功能各异的殖外，个体中的每一个形态和功能各异的细胞都是合子产生后代的分化产物。细胞都是合子产生后代的分化产物。10n受精后胚胎会出受精后胚胎会出现卵裂，随着分现卵裂，随
6、着分裂和分化的不断裂和分化的不断进行，细胞数目进行，细胞数目愈来愈多，细胞愈来愈多，细胞之间的分化差异之间的分化差异也越来越大。也越来越大。n卵裂球卵裂球(两栖类两栖类)和和8细胞期细胞期(哺乳类哺乳类)之前的细胞具有全能性之前的细胞具有全能性11n原原肠肠期期的的三三胚胚层层形形成成时时，形形成成各各器器官官的的预预定定区区已已经经确确定定，各各胚胚层层在在分分化化潜潜能能上上开开始始出出现现一一定定的的局局限限性性，只只能能按按一一定定的的规规律律发发育育分分化化成成本本胚胚层层特特定定的的组组织织、器器官官和和系系统统 。12n三个胚层的分化潜能虽三个胚层的分化潜能虽然被局限，但仍具有发
7、然被局限，但仍具有发育成多种表型的能力，育成多种表型的能力，这时的细胞可称为多能这时的细胞可称为多能细胞细胞（pluripotent cell）。13分化潜能逐渐分化潜能逐渐“缩窄缩窄”n经过器官发生，各种组织、细胞的发育命经过器官发生，各种组织、细胞的发育命运最终决定，在形态上特化，功能上专一运最终决定，在形态上特化，功能上专一化，成为单能细胞化，成为单能细胞（unipotent cell）n胚胎发育过程中逐渐由全能局限为多能，最后成胚胎发育过程中逐渐由全能局限为多能，最后成为稳定型单能为稳定型单能（unipotency）的趋向，是细胞分的趋向，是细胞分化的普遍规律。因此，细胞分化可以视为分
8、化潜化的普遍规律。因此，细胞分化可以视为分化潜能逐渐限制能逐渐限制“缩窄缩窄”的过程。的过程。14n1952年，年，R.Briggs和和T.King在解剖镜下用在解剖镜下用玻璃微针将青蛙囊胚玻璃微针将青蛙囊胚细胞核挑出后，移入细胞核挑出后，移入另一青蛙的去核卵细另一青蛙的去核卵细胞中，渐渐发育为蝌胞中，渐渐发育为蝌蚪乃至成蛙。蚪乃至成蛙。n六十年代六十年代Gurdon用用爪蟾肠上皮细胞核植爪蟾肠上皮细胞核植入核破坏的卵细胞中入核破坏的卵细胞中获得成功。获得成功。保持着全套基因组的保持着全套基因组的细胞核细胞核在一定在一定条件下可表现出全能性条件下可表现出全能性15保持着全套基因组的保持着全套基
9、因组的细胞核细胞核在一定在一定条件下可表现出全能性条件下可表现出全能性n1981年年Hoppe将小鼠囊将小鼠囊胚的内细胞团的细胞核植胚的内细胞团的细胞核植入去核受精卵，待其发育入去核受精卵，待其发育成囊胚后再植入同步孕鼠成囊胚后再植入同步孕鼠子宫，生出正常个体。子宫，生出正常个体。n1997年，年，Wilmut进行进行“Dolly”羊克隆取得成羊克隆取得成功。功。16细胞分化的分子基础细胞分化的分子基础n分化的本质是不同基分化的本质是不同基因差异性表达因差异性表达（differentialexpression）/选择性选择性转录的结果。转录的结果。17n分裂时胞质的分配不均衡影响了分化的命分裂
10、时胞质的分配不均衡影响了分化的命运。运。18n胞质的不对胞质的不对称分裂和细称分裂和细胞在胚胎中胞在胚胎中所处位置影所处位置影响分化方向。响分化方向。19n基因组改变是细胞分化的特例：基因组改变是细胞分化的特例：基因组扩基因组扩增、丢失、重排增、丢失、重排20细胞分化的调控细胞分化的调控n可以在不同的水平上进行：转录水平、翻可以在不同的水平上进行：转录水平、翻译水平以及蛋白质形成后活性调节水平等。译水平以及蛋白质形成后活性调节水平等。n其中，转录因子介导的转录水平调控是最其中，转录因子介导的转录水平调控是最重要的。重要的。转录因子识别结合位点转录因子识别结合位点转录因子活性调节蛋白转录因子活性
11、调节蛋白21基因表达的组织特异性基因表达的组织特异性n与基因表达的调控区相互作用的转录因子与基因表达的调控区相互作用的转录因子分两大类分两大类-通用转录因子：为大量基因转录所需要并在许多细胞类型通用转录因子：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。中都存在的因子。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。因子。22n并非所有基因都同细胞分化有直接关系。并非所有基因都同细胞分化有直接关系。n根据基因和细胞分化的关系，可以把
12、基因根据基因和细胞分化的关系，可以把基因分为两类：一类称为奢侈基因分为两类：一类称为奢侈基因（luxury gene），另一类称为管家基因，另一类称为管家基因（housekeeping gene）23n奢侈基因是指在特定类型的细胞中编码奢侈基因是指在特定类型的细胞中编码特特异性蛋白异性蛋白的基因，表达产物的基因，表达产物即即奢侈蛋白奢侈蛋白（luxury protein）与各种分化细胞的特殊与各种分化细胞的特殊性状有直接关系性状有直接关系24n管家基因是维持细胞存活生长所不可缺少管家基因是维持细胞存活生长所不可缺少的基因，对细胞分化一般只有协助作用。的基因，对细胞分化一般只有协助作用。n管家基
13、因在各类细胞的任何时间内都可以管家基因在各类细胞的任何时间内都可以得到表达，其产物管家蛋白得到表达，其产物管家蛋白（housekeeping protein）是维持细胞生命活动所必需的。是维持细胞生命活动所必需的。25n基因的顺序表达：基因的活性不仅由基因的顺序表达：基因的活性不仅由于细胞类型的不同有很大变化，即使于细胞类型的不同有很大变化，即使在同一类型的细胞中，由于发育阶段在同一类型的细胞中，由于发育阶段不同，基因活性也不一样。不同，基因活性也不一样。分化是不同特异性基因分化是不同特异性基因相继相继表达的结果。表达的结果。26基因的时序性表达基因的时序性表达n不同珠蛋白基因在染色体上的排列
14、位置，不同珠蛋白基因在染色体上的排列位置，对保持发育阶段的顺序性表达至关重要。对保持发育阶段的顺序性表达至关重要。27正常人体血红蛋白发育变化正常人体血红蛋白发育变化28LCR控制控制珠蛋白珠蛋白基因活化基因活化n位于人位于人珠蛋白基因珠蛋白基因5上游有一段特殊的上游有一段特殊的DNA序列，称为序列，称为座位控制区域（座位控制区域（LCR），珠蛋白基因的调控区珠蛋白基因的调控区29n与与LCR相对距离的大小，可能影响各珠蛋相对距离的大小，可能影响各珠蛋白基因同白基因同LCR相互作用的频率，距离近的相互作用的频率，距离近的珠蛋白基因优先表达，距离远的则在较晚珠蛋白基因优先表达，距离远的则在较晚阶
15、段被激活。阶段被激活。30先表达的转录因子控制后续基因的激活先表达的转录因子控制后续基因的激活或关闭或关闭n在肌细胞分化形成的过程中，在肌细胞分化形成的过程中，myoD基因基因家族成员以肌肉特异性基因转录激活物的家族成员以肌肉特异性基因转录激活物的形式发挥作用，一旦获得表达，即可以通形式发挥作用，一旦获得表达，即可以通过正反馈调节的方式维持其表达。过正反馈调节的方式维持其表达。31nmyoD及及myf5基因控制体节细胞分化为基因控制体节细胞分化为成肌细胞，而从成肌细胞发育为成熟的成肌细胞，而从成肌细胞发育为成熟的骨骼肌细胞则依赖于骨骼肌细胞则依赖于myogenin基因。基因。32蛋白的不同组合
16、产生不同类型的细胞蛋白的不同组合产生不同类型的细胞n受精卵或动物早期胚胎细胞在分化过程中，因不受精卵或动物早期胚胎细胞在分化过程中，因不同基因表达，产物不断加入细胞质，改变细胞质同基因表达，产物不断加入细胞质，改变细胞质成分，使基因表达环境发生改变，细胞质反作用成分，使基因表达环境发生改变，细胞质反作用于细胞核，又使核内基因表达状态不断受到调节，于细胞核，又使核内基因表达状态不断受到调节，细胞不断分化，发育，成熟，直至产生各种不同细胞不断分化，发育，成熟，直至产生各种不同类型的细胞。类型的细胞。33n非组蛋白与基因的选择性转录有关。非组蛋白与基因的选择性转录有关。取兔的胸腺和骨髓细胞的染色质，
17、用重组的染色取兔的胸腺和骨髓细胞的染色质，用重组的染色质做模板，加入质做模板，加入RNARNA聚合酶和各种前体核苷酸便可聚合酶和各种前体核苷酸便可合成合成mRNAmRNA。结果：胸腺非组蛋白不但能与胸腺。结果：胸腺非组蛋白不但能与胸腺DNADNA重组染色质转录胸腺重组染色质转录胸腺mRNAmRNA，也能与骨髓，也能与骨髓DNADNA重组染重组染色质转录胸腺色质转录胸腺mRNAmRNA；骨髓非组蛋白不但能与骨髓；骨髓非组蛋白不但能与骨髓DNADNA重组染色质转录骨髓重组染色质转录骨髓mRNAmRNA，也能与胸腺，也能与胸腺DNADNA重重组染色质转录骨髓组染色质转录骨髓mRNAmRNA。 34同
18、源异形框基因（同源异形框基因（homeoboxgene）n基因中存在共同的基因中存在共同的180bp的的DNA片段，该片段被称为同源片段，该片段被称为同源异形框（异形框（homeobox），编码高度同源的），编码高度同源的60个氨基酸，凡个氨基酸，凡是含有同源异形基因序列的称为同源框基因，表达的蛋白是含有同源异形基因序列的称为同源框基因，表达的蛋白称为同源域蛋白。称为同源域蛋白。n在胚胎发育过程中将空间特异性赋予身体前后轴不同部位在胚胎发育过程中将空间特异性赋予身体前后轴不同部位的细胞，进而影响细胞分化，保证生物在正常的位置发育的细胞，进而影响细胞分化，保证生物在正常的位置发育出正常形态的躯干
19、、肢体、头颅等器官。出正常形态的躯干、肢体、头颅等器官。35果蝇控制触角形成的同源框基因果蝇控制触角形成的同源框基因Antp的突变，导的突变，导致果蝇的一对触角被两只腿所取代。致果蝇的一对触角被两只腿所取代。 36果蝇和哺乳动物中，同源异果蝇和哺乳动物中，同源异形框基因在基因簇中排列顺形框基因在基因簇中排列顺序相同，这些基因产物在胚序相同，这些基因产物在胚胎的前后轴间也以相似的顺胎的前后轴间也以相似的顺序进行表达。序进行表达。373839染色质的修饰染色质的修饰nDNA的甲基化：甲基转移酶催化的甲基化：甲基转移酶催化DNA分子的胞分子的胞嘧啶转变为嘧啶转变为5-甲基胞嘧啶。甲基化后特定基因的甲
20、基胞嘧啶。甲基化后特定基因的转录被抑制。转录被抑制。n组蛋白的乙酰化：组蛋白的乙酰化：通常与基因转录激活有关通常与基因转录激活有关。40翻译水平的调控翻译水平的调控 n翻译调控通常是通过调节细胞的整体翻译翻译调控通常是通过调节细胞的整体翻译水平来实现的。水平来实现的。热休克热休克（heatshock）反应：反应：影响转录的起始，使影响转录的起始，使大部分翻译停止，与此同时热休克蛋白的大部分翻译停止，与此同时热休克蛋白的mRNAmRNA翻译加速，翻译加速，直到蛋白质合成恢复正常。直到蛋白质合成恢复正常。蒙面信使：蒙面信使：海胆的未受精卵存在着未活化的海胆的未受精卵存在着未活化的mRNAmRNA（
21、母体（母体mRNAmRNA），不能翻译，只有在受精后，这些），不能翻译，只有在受精后，这些mRNAmRNA才可能翻译。才可能翻译。41非编码非编码RNA在细胞分化中的作用在细胞分化中的作用 n非编码RNA（non-coding RNA）主要包括：小RNA 和长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）。 小RNA 长度约在2030个核苷酸(nt)的非编码RNA。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；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。参与了细胞分化与发育的基因
22、表达调控。 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。长链非编码RNA：长度超过200个核苷酸,与细胞分化和发育密切相关。42n小小RNA调节蛋白表达调节蛋白表达43影响细胞分化的因素影响细胞分化的因素n多细胞生物的细胞分化是在细胞间的彼此多细胞生物的细胞分化是在细胞间的彼此影响下进行的。因此，细胞间的相互作用影响下进行的。因此，细胞间的相互作用对细胞分化有较大的影响。对细胞分化有较大
23、的影响。44n诱导或胚胎诱导诱导或胚胎诱导(embryonic induction)：是是指一部分细胞对指一部分细胞对邻近细胞的形态邻近细胞的形态发生影响，并决发生影响，并决定其分化方向的定其分化方向的作用。作用。45n通过诱导组织释放的各种旁分泌因子（通过诱导组织释放的各种旁分泌因子（paracrine factor）形成由近及远的浓度梯度，）形成由近及远的浓度梯度，可以在原本等可以在原本等同的细胞中建立起有同的细胞中建立起有层次层次的差异。的差异。视泡可诱导其外面的外胚层形成晶状体，而视泡可诱导其外面的外胚层形成晶状体，而晶状体又可诱导其外侧胚层形成角膜。晶状体又可诱导其外侧胚层形成角膜。
24、46n细胞分化的抑细胞分化的抑制效应：在胚制效应：在胚胎发育中已分胎发育中已分化的细胞抑制化的细胞抑制邻近细胞进行邻近细胞进行相同分化而产相同分化而产生的负反馈调生的负反馈调节作用。节作用。47n激素可以对相隔距离较远的靶细胞分化的激素可以对相隔距离较远的靶细胞分化的控制，而且要对位于远处的靶细胞所出现控制，而且要对位于远处的靶细胞所出现的变化作出反应，以控制个体发育进程。的变化作出反应，以控制个体发育进程。n环境因素（环境因素（温度，光线等温度，光线等环境因素环境因素，可能，可能影响卵裂）影响卵裂）48细胞分化与肿瘤及再生发生密切相细胞分化与肿瘤及再生发生密切相关关n肿瘤细胞来源于正常细胞，
25、主要表现出低分化和肿瘤细胞来源于正常细胞，主要表现出低分化和高增殖的特征，属于细胞分化异常的表现。缺乏高增殖的特征，属于细胞分化异常的表现。缺乏接触抑制或密度依赖性抑制，不需要依附于固定接触抑制或密度依赖性抑制，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。度而出现堆积生长，形成高出单层细胞的细胞灶。n也也可能起源于一些未分化或微分化的干细胞可能起源于一些未分化或微分化的干细胞49n在高浓度的分化信号诱导下，肿瘤细胞增殖减慢，在高浓度的分化信号诱导下，肿瘤细胞增殖减慢，分化加强，可以走向正常的终末
26、分化。现已发现分化加强，可以走向正常的终末分化。现已发现临床上有的可被药物诱导分化。临床上有的可被药物诱导分化。 维甲酸、全反式维甲酸和小剂量砒霜用于临床治疗急性早幼粒细胞性白血病，能诱导分化受阻的幼稚粒细胞分化成熟，白血病完全缓解，避免了化疗和放疗杀伤正常分裂细胞的不良反应。50干细胞干细胞 stem celln干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞，干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞，能够产生表现型和基因型与自己完全相同的子代能够产生表现型和基因型与自己完全相同的子代细胞，还能分化出祖细胞。细胞，还能分化出祖细胞。n个体发育的不同阶段不同组织中均存在。个体发育的不同阶段不同组织中均
27、存在。n随发育的进程其数量和分化潜能逐渐降低。随发育的进程其数量和分化潜能逐渐降低。n它的主要功能是控制和维持细胞的再生。它的主要功能是控制和维持细胞的再生。51按分化潜能可将干细胞分为按分化潜能可将干细胞分为n全能干细胞全能干细胞(totipotent stem cell)：任何一个细胞都任何一个细胞都可以发育成一个完整个体，如受精卵桑葚胚可以发育成一个完整个体，如受精卵桑葚胚n多能干细胞多能干细胞(pluripotent stem cell)：可以分化为来自可以分化为来自内、中、外三个胚层的各种细胞，如内细胞团内、中、外三个胚层的各种细胞，如内细胞团n专能干细胞专能干细胞(multipot
28、ent stem cell )：如如神经神经干细胞、干细胞、造血干细胞造血干细胞n单能干细胞单能干细胞（unipotent stem cell ：如表皮干细胞如表皮干细胞52按发生学来源可将干细胞分为按发生学来源可将干细胞分为n胚胎干细胞胚胎干细胞(embryonic stem cell，ESC)、和成体干细胞和成体干细胞（adult stem cell ）人类胚胎干细胞人类胚胎干细胞53干细胞的特点干细胞的特点n干细胞具有未分化或低分化特性，多向分干细胞具有未分化或低分化特性，多向分化潜能。化潜能。n干细胞具有干细胞具有“无限无限”的自我更新能力。的自我更新能力。n可连续分裂几代，也可在较长时间内处于可连续分裂几代，也可在较长时间内处于静止状态。静止状态。54Theend55
