第十四章细胞分化第十四章细胞分化Chapter 14 Cell differentiationChapter 14 Cell differentiation 2第一节第一节 细胞分化的基本概念细胞分化的基本概念 细胞分化细胞分化(cell differentiation) ：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有明显的差异，将个体发育中形成这种稳定性差异的过程称为细胞分化细胞分化的概念3 （一）个体发育简介原肠胚原肠胚 受精卵受精卵 桑椹胚桑椹胚 囊胚囊胚 卵裂卵裂12-16细胞期器官发生器官发生个体个体受精后受精后5-75-7天天一、多细胞生物个体发育的一般过程与细胞分化一、多细胞生物个体发育的一般过程与细胞分化潜能潜能4 人体发生过程：人体发生过程： 体外人胚胎的卵裂A受精卵；B２细胞阶段；C４细胞阶段；D 8细胞阶段；E桑椹胚；F囊胚 5 内胚层内胚层消化管、咽和呼吸管消化管、咽和呼吸管中胚层中胚层结缔组织；血液；肌肉；结缔组织；血液；肌肉；骨骼；泌尿生殖系统骨骼；泌尿生殖系统外胚层外胚层体表结构；神经系统体表结构；神经系统原肠胚原肠胚6 受精卵受精卵桑椹胚桑椹胚囊胚囊胚内细胞团内细胞团上皮滋养层上皮滋养层神经沟神经沟外胚层外胚层中胚层中胚层脊索脊索内胚层内胚层三胚层胚胎三胚层胚胎哺乳动物早期发育期间细胞分化的主要阶段哺乳动物早期发育期间细胞分化的主要阶段 原肠胚形成原肠胚形成（第三周）（第三周） 原肠腔原肠腔 + + 三胚层结构三胚层结构8 人胚胎的早期发育人胚胎的早期发育 A A：：2828天的人胚天的人胚; ; B B：：3232天的人胚天的人胚; ; C C：：3737天的人胚天的人胚; ;D D：：4444天的人胚天的人胚; ; E E：：5454天的人胚天的人胚第第5-85-8周胚体外形有明显的变化，至第周胚体外形有明显的变化，至第8 8周末已初具人周末已初具人形形, , 主要器官、系统在此期内形成，故此期称为器官主要器官、系统在此期内形成，故此期称为器官发生期。
发生期9 细胞分裂 细胞分裂 受精卵――――--胎儿――――----成人 细胞分化 细胞分化 受精卵细胞分裂使数目增加细胞分化使细胞分工胎儿胎儿细胞分裂、生长细胞分裂、生长细胞分化细胞分化成人成人10 增殖增殖增殖增殖如果只有细胞增殖，没有细胞分化，如果只有细胞增殖，没有细胞分化，就只能形成一细胞团，而不能形成人体就只能形成一细胞团，而不能形成人体11 ( (二）细胞分化的潜能随个体发育进程逐渐二）细胞分化的潜能随个体发育进程逐渐““缩窄缩窄”” 1. 细胞的全能性 单个细胞经分裂和分化后仍具有发育成完整个体的能力，称为细胞全能性（totipotency）全能性细胞：具有这种潜能的细胞 （两栖类动物在囊胚形成之前的卵裂球细胞、哺乳动物桑椹胚的8细胞期之前的细胞）12 植物体细胞的全能性植物体细胞的全能性13 2. 随着胚胎的发育，高等动物细胞逐渐丧失了发育成个体的能力，仅具有分化成有限细胞类型的潜能，这种潜能称为细胞的多能性（ pluripotency ）。
多能性细胞多能性细胞：这种细胞称为多能性细胞，只能 分化为本胚层组织器官的细胞 （三胚层形成后）3.经过器官发生，各种组织细胞的发育命运最终确定，呈单能性（ unipotency ）单能细胞单能细胞：形态特化、功能专一的终末分化细胞（器官形成后）14 全能细胞多能细胞单能细胞全能全能 多能多能 单能单能15 ( (三三) )终末分化细胞的终末分化细胞的细胞核具有全能性细胞核具有全能性全能性细胞核全能性细胞核非洲爪蟾的核移植实验非洲爪蟾的核移植实验16 17“多利”是怎样“造”出来的？ 已特化的体细胞核仍保留形成正常个体的全套已特化的体细胞核仍保留形成正常个体的全套基因基因, ,具有发育成一个有机体的潜能具有发育成一个有机体的潜能, ,这样的细这样的细胞核称为全能性细胞核胞核称为全能性细胞核( (totipotent nucleus)totipotent nucleus)18 Dolly的标本和伊恩博士Dolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊Dolly由英国爱丁堡大学的伊恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺结核而被安乐死，它的标本于2003年4月9日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。
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，称之为细胞决定二、细胞决定与细胞分化二、细胞决定与细胞分化（一）细胞决定先于细胞分化（一）细胞决定先于细胞分化并制约着分化的方向并制约着分化的方向20 说明：在两栖类的早期原肠胚和晚期原肠胚之间说明：在两栖类的早期原肠胚和晚期原肠胚之间的某个时期便开始了细胞决定的某个时期便开始了细胞决定21细胞决定的证明：胚胎移植实验细胞决定的证明：胚胎移植实验 （二）细胞决定具有遗传稳定性（二）细胞决定具有遗传稳定性22 三、细胞分化的特点：三、细胞分化的特点：（一）（一）稳定性稳定性 即在正常生理条件下，已经分化为某种特异即在正常生理条件下，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例如：化状态或者成为其他类型的分化细胞例如：神经细胞终生为神经细胞，红细胞终生为红神经细胞终生为神经细胞，红细胞终生为红细胞细胞……......黑色素细胞在体外培养黑色素细胞在体外培养3030多代后仍多代后仍能合成黑色素。
能合成黑色素 23 （二）可逆可逆性转分化和去分化转分化和去分化 在某些条件下，分化了的细胞也不稳定，其基因在某些条件下，分化了的细胞也不稳定，其基因活动模式也可发生可逆性的变化，而又回到未活动模式也可发生可逆性的变化，而又回到未分化状态，这一变化过程叫做分化状态，这一变化过程叫做去分化去分化 ( (dedifferentiation)dedifferentiation)，也称细胞分化的可逆性也称细胞分化的可逆性 24 高度分化的植物高度分化的植物细胞可以去分化细胞可以去分化成为全能性细胞，成为全能性细胞，重新分裂，然后重新分裂，然后通过再分化形成通过再分化形成根茎，最终发育根茎，最终发育成完整的新植株成完整的新植株25 高度分化的动物细胞虽不能完全去分化发育高度分化的动物细胞虽不能完全去分化发育为新个体，但在一定条件下，可以从一种分为新个体，但在一定条件下，可以从一种分化状态转变为另一种分化状态，称为化状态转变为另一种分化状态，称为转分转分化化（（transdifferentiationtransdifferentiation）肾上腺嗜铬细胞肾上腺嗜铬细胞肾上腺素肾上腺素转分化成交感转分化成交感神经元，分泌神经元，分泌去甲肾上腺素去甲肾上腺素神经生长因子神经生长因子糖皮质激素糖皮质激素26 细胞分化的稳定性是普遍存在的，而可细胞分化的稳定性是普遍存在的，而可逆性，即去分化和转分化是有条件的。
逆性，即去分化和转分化是有条件的27 四、细胞分化的时间性和空间性四、细胞分化的时间性和空间性不同的发育阶段细胞可以有不同的形态结构和不同的发育阶段细胞可以有不同的形态结构和功能，即时间上的分化；功能，即时间上的分化；同一种细胞的后代，由于所处的空间位置不同，同一种细胞的后代，由于所处的空间位置不同，可以有不同的形态和功能，即空间分化可以有不同的形态和功能，即空间分化普遍性普遍性思考：细胞分化发生在个体发育的（ C ） A 胚胎期 B 受精卵分裂期 C 整个生命过程 D 性成熟期28 五、细胞分裂与细胞分化五、细胞分裂与细胞分化细胞增殖和细胞分化是多细胞生物个体发细胞增殖和细胞分化是多细胞生物个体发育过程中的两个重要事件，两者关系密切育过程中的两个重要事件，两者关系密切细胞分化是在增殖基础上进行的，细胞分化是在增殖基础上进行的，一般来说，细胞分裂旺盛时分化变缓，分一般来说，细胞分裂旺盛时分化变缓，分化较高时分裂速度减慢化较高时分裂速度减慢29 30第二节第二节 细胞分化的分子基础细胞分化的分子基础 管家基因(house keeping gene) 其表达的蛋白是维持细胞生存所必需的基本蛋白，存在于所有分化类型的细胞中。
如编码组蛋白、核糖体蛋白、线粒体蛋白的基因等衣食住一、基因组的活动模式（一）基因的选择性表达是细胞分化的普遍规律31 奢侈基因（奢侈基因（luxury geneluxury gene））通通常将编码组织细胞特异性蛋常将编码组织细胞特异性蛋白的基因称为奢侈基因如白的基因称为奢侈基因如编码血红蛋白、肌动蛋白、编码血红蛋白、肌动蛋白、胶原蛋白的基因等正是由胶原蛋白的基因等正是由于这些基因的表达，才导致于这些基因的表达，才导致了细胞的分化了细胞的分化奢侈品基因选择性表达基因选择性表达 特异特异mRNAmRNA转录转录 奢侈蛋白合奢侈蛋白合成成细胞分化细胞分化32 （二）基因组改变是细胞分化的特例（二）基因组改变是细胞分化的特例如基因扩增、如基因扩增、DNADNA重排和染色体丢失等重排和染色体丢失等但这些现象并不是细胞分化的普遍规律但这些现象并不是细胞分化的普遍规律33 二、胞质中的细胞分化决定因子与传递方式二、胞质中的细胞分化决定因子与传递方式（一）母源效应基因产物的极性分布决定了细胞（一）母源效应基因产物的极性分布决定了细胞分化与发育的命运分化与发育的命运通常将在卵质中呈极性分布、在受精后被翻译为胚通常将在卵质中呈极性分布、在受精后被翻译为胚胎发育中起重要作用的蛋白的胎发育中起重要作用的蛋白的mRNAmRNA分子称为母源分子称为母源效应基因（效应基因（maternal effect gene, MEGmaternal effect gene, MEG）产物。
产物 (二二) ) 胚胎细胞分裂时胞质的不均等分配影响细胞的胚胎细胞分裂时胞质的不均等分配影响细胞的分化命运分化命运 34 三、基因选择性表达的调控主要发三、基因选择性表达的调控主要发生在转录水平生在转录水平不同细胞：相同DNA 不同RNA 不同Protein35 顺式调控元件顺式调控元件qpromoter (promoter (启动子启动子) TATA CCAAT CACCC) TATA CCAAT CACCC 决定基因是否转录决定基因是否转录 qenhancer (enhancer (增强子增强子) ) 无位置及方向性，但能有无位置及方向性，但能有效增强基因转录效应的效增强基因转录效应的DNADNA片段片段qsilencer (silencer (沉默子沉默子) ) 无位置及方向性，但能有无位置及方向性，但能有效减弱基因转录效应的效减弱基因转录效应的DNADNA片段片段（一）组织细胞特异性转录因子和活性染色质（一）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结构区决定了细胞特异性蛋白的表达36 反式调控因子反式调控因子转录因子转录因子作用：能识别并结合在基因调控区的相应作用：能识别并结合在基因调控区的相应结合位点上，促进或阻抑基因的转录。
结合位点上，促进或阻抑基因的转录启动子转录因子转录因子37 （二）转录因子的顺序表达启动特定谱系细胞（二）转录因子的顺序表达启动特定谱系细胞的分化的分化转录因子转录因子转录因子转录因子转录因子普遍作用方式转录因子普遍作用方式转录因子转录因子38 级联方式级联方式基因基因1 1：细胞分化主导基因：细胞分化主导基因转录因子转录因子基因基因2 2转录转录因子因子基因基因3 3细胞分化细胞分化转录因子的顺序转录因子的顺序表达启动特定谱表达启动特定谱系细胞的分化系细胞的分化39 （三）染色质成分的共价修饰制约基因的（三）染色质成分的共价修饰制约基因的转录转录1. DNA1. DNA甲基化甲基化DNADNA甲基化是指甲基化是指DNADNA复制后，在复制后，在DNADNA甲基转移酶的甲基转移酶的作用下，将作用下，将S- S-腺苷甲基转移到胞嘧啶上的过程腺苷甲基转移到胞嘧啶上的过程作用：导致基因失活作用：导致基因失活机制：干扰转录因子与启动子的结合机制：干扰转录因子与启动子的结合 40 2.2.组蛋白的乙酰化和去乙酰化影响转录因子组蛋白的乙酰化和去乙酰化影响转录因子与与DNADNA的结合的结合组蛋白乙酰化有利于基因转录组蛋白乙酰化有利于基因转录组蛋白去乙酰化抑制基因转录组蛋白去乙酰化抑制基因转录41 （四）同源盒基因（（四）同源盒基因（ Homeobox geneHomeobox gene ）） 不同生物中的保守性很强的序列不同生物中的保守性很强的序列 编码转录因子编码转录因子Hox mutant Antenna—leg42 43第三节第三节 细胞分化的调节因素细胞分化的调节因素 一、细胞间相互作用可诱导细胞分化一、细胞间相互作用可诱导细胞分化（一）胚胎诱导 胚胎诱导胚胎诱导 （embryonic induction）在胚胎发育过程中，一部分细胞对邻近的另一部分细胞产生影响，并决定其分化方向的作用称为胚胎诱导。
44 初级诱导：如中胚层脊索诱导其表面的外胚层形成神经板； 次级诱导：如神经板形成神经管后，其前端发育成前脑，其两侧突出的视杯再诱导其表面的外胚层形成晶状体，此为次级诱导； 三级诱导：晶状体再诱导其表面的外胚层形成角膜，此为三级诱导45 （二）细胞间抑制作用（二）细胞间抑制作用在胚胎发育过程中，已分化的细胞抑制邻近细在胚胎发育过程中，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，称胞进行相同分化而产生的负反馈调节作用，称为细胞间抑制为细胞间抑制作用：避免相同器官重复发生或过度发育，与作用：避免相同器官重复发生或过度发育，与分化诱导共同协调作用，维持正常细胞的分化分化诱导共同协调作用，维持正常细胞的分化和胚胎的发育过程和胚胎的发育过程46 二、激素对细胞分化的影响作用时间：个体发育的晚期作用方式：激素由血液循环输送到各部位，将特定的分化信息传递给靶细胞，使其朝一定方向分化发展47 激素分类甾类激素：分子小，脂溶性，进入细胞，形成受体-激素复合物，入核，结合到DNA上调控基因转录如类固醇激素、雌激素等多肽类激素：分子大，非脂溶性，不进入细胞，而是与膜上受体结合，并通过细胞内信号转导过程将信号传递到细胞核。
如生长激素、肾上腺素等48 三、环境因素对细胞分化的影响三、环境因素对细胞分化的影响物理的、化学的和生物性因素物理的、化学的和生物性因素例如：例如：鳄鱼的性别决定与分化受环境因素影响鳄鱼的性别决定与分化受环境因素影响49 50第四节第四节 细胞分化与肿瘤细胞细胞分化与肿瘤细胞瘤细胞为什么会发生？ 一般认为，细胞癌变是细胞异常分化的结果，即已经分化的细胞回复到未分化状态，因此，癌细胞和胚胎细胞具有很多相似的生物学特性一、肿瘤细胞是异常分化的细胞癌细胞主要表现出低分化高增殖的细胞特征失去接触抑制能力，无Hayflick界限二、肿瘤细胞可被诱导向正常细胞分化51 ●胚胎性基因重现表达胚胎性基因重现表达结肠癌合成结肠癌合成CEACEA表达 分化障碍发生机制（（Mechanism of deregulation differentiationMechanism of deregulation differentiation）） ▲细胞的增殖和分化脱耦联 ▲癌基因和抑癌基因的协同失衡 ●癌基因突变、甲基化程度降低等引起癌基因过度表达与激活。
癌基因突变、甲基化程度降低等引起癌基因过度表达与激活 ●抑癌基因突变，削弱细胞分化和增殖调节系统抑癌基因突变，削弱细胞分化和增殖调节系统 ▲基因表达时空上失调 ●特异性分化基因表达受到抑制特异性分化基因表达受到抑制 53 肿瘤干细胞是存在于肿瘤组织中、极小一部分具有干细胞性质的细胞群体，具有自我更新的能力，是形成不同分化程度肿瘤细胞和肿瘤不断扩大的源泉 移植小鼠白血病细胞仅有1-4％能形成克隆1958小鼠骨髓瘤细胞,体外培养仅1/10000-1/1000 癌细胞能形成集落1971CD34＋CD38-白血病细胞，移植到小鼠后形成克隆，而其他细胞都不具有肿瘤源性1997正式提出Cancer Stem Cell的概念2001CD44＋CD22-的乳腺癌细胞200个可小鼠身上形成乳腺癌；再从小鼠乳腺癌内分离癌细胞200个，又形成肿瘤2003 人乳腺癌分离移植乳腺癌的细胞，再次接种小鼠CD44＋CD24－细胞接种的小鼠12w时出现明显肿瘤未分类细胞5×104才能形成肿瘤， CD44＋CD24－ 细胞只需200个即可再次形成肿瘤。
乳腺癌细胞是功能上不均一的成分，仅有少量乳腺癌细胞能在重复移植后重建乳腺癌细胞型，且具有自我更新和多向分化能力肿瘤中只有肿瘤干细胞能够无限增殖，产生更多的肿瘤干细胞和缺乏肿瘤源性潜力的肿瘤细胞 57第五节细胞分化与再生第五节细胞分化与再生 再生的概念再生的概念动物的整体或器官受外界因素作用发生创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同的组织或器官的过程58 EndEndThanksThanks 。