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1、第十四章 细胞分化,Cell Differentiation,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,2,在个体发育过程中，细胞的生长、增殖和分化是相互关联的三个极为重要的细胞生命活动 。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,3,教学基本要求,1. 掌握细胞分化、细胞决定和细胞全能性的基本概念； 2. 熟悉细胞分化的细胞生物学基础； 3. 熟悉细胞分化的分子基础和细胞分化基因表达的调节； 4.了解激素、环境因素对细胞分化的影响；了解细胞分化的医学意义；了解再生的现象与本质,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,4,第十四章 细胞分化,第一节 细胞分化的基本概
2、念 第二节 细胞分化的分子基础 第三节 细胞分化的调节因素 第四节 细胞分化与肿瘤细胞 第五节 细胞分化与再生,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,5,第一节 细胞分化的基本概念,一、多细胞生物个体发育的一般过程与细胞分化潜能 二、细胞决定与细胞分化 三、细胞的去分化与转分化 四、细胞分化的时空性 五、细胞分裂与细胞分化,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,6,第一节 细胞分化的基本概念,细胞分化(Cell differentiation )是个体发育过程中，细胞通过生长和增殖，相互之间在生化特性、形态结构及生理功能方面产生明显而稳定差异的过程。 一、脊椎动物个体发
3、育的一般过程与细胞分化潜能 脊椎动物个体发育主要阶段： 胚胎发育：卵裂，囊胚（胚泡），原肠胚，神经胚，器官发生 从原肠胚期开始胚层分化形成三个胚层； 细胞分化开始于原肠胚形成之后。 胚后发育,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,7,（一）三胚层的分化方向 1.外胚层分化为皮肤上皮(包括上皮各种衍生物如皮肤腺、毛、角、爪等)、神经组织、感觉器官、消化管的两端。 2.中胚层分化为肌肉、结缔组织(包括骨路、血液等)、生殖与排泄器官的大部分。 3.内胚层分化为消化管的大部分上皮、肝、胰、呼吸器官，排泄与生殖器官的小部分。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,8,（二）细胞分
4、化的一般规律 细胞分化的一般规律：在胚胎发育过程中，细胞逐渐由全能到多能，最后到单能的趋向。 在此过程中，细胞的增殖和分化能力逐渐降低，特化功能逐渐增强。 1.全能（干）细胞：单个细胞在一定条件下，能分化发育成为完整生物个体的性能称为细胞的全能性(totipotency) 。（如哺乳动物桑椹胚的8细胞期之前的细胞。）,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,9,2.多能（干）细胞：三胚层形成后，仅能向本胚层组织和器官方向分化发育的细胞。（如骨髓的多能造血干细胞能形成多种血细胞。） 3.单能（干）细胞：也称专能干细胞，只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化，如上皮基底层干细胞、肌
5、肉中的成肌细胞、精小管中的精原细胞。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,10,（三）分化细胞的全能性 1.动物终末分化细胞无全能性，核有全能性。 2.植物终末分化细胞有全能性。 用核移植方法进行动物克隆说明终末分化细胞的核具有全能性。 二、细胞决定与细胞分化 （一）细胞决定制约细胞分化方向 1.细胞决定(cell determination)是细胞预先作作出的分化选择，是确定分化方向的过程。 （二）细胞决定具有严格的程序性和高度的遗传稳定性（其分子本质尚不了解）。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,11,三、细胞的去分化和转分化,1.细胞分化有高度稳定性 在正常
6、情况下，已分化的细胞一般不逆转到位分化状态或成为其他类型的分化细胞，即分化的稳定性。 终末分化细胞在形态结构与生理功能的稳定性是个体生命活动的基础。 2.去分化 已分化的细胞在某种特定条件下逆转到未分化状态的现象或过程称去分化(dedifferentiation),2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,12,3.转分化 从一种分化细胞转变为另一种分化细胞的现象或过程称为转分化(transdifferentiation)。 细胞分化的稳定性是普遍存在的、具有主导性的特征；去分化和转分化是不稳定的表现，实在特殊条件下发生的事件，使基因选择性表达的结果。,2009-10,细胞生物学与遗传
7、学教研室陈贤均制,13,四、细胞分化的时-空性,1.细胞分化的时间性 在不同的时间有不同的发育程度，有时间顺序，受时间制约。 如红细胞的分化要经历：原红细胞，早幼红细胞，中幼红细胞，晚幼红细胞，网织红细胞和成熟红细胞几个阶段。 2.细胞分化的空间性 同一细胞的后代，在不同的空间位置分化成不同类型的细胞，受空间制约。 如同是外胚层的细胞有的分化成表皮细胞，有的分化成神经细胞。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,14,五、细胞分裂与分化的关系,1.细胞增殖产生细胞分化的主体，并在增殖的基础上分化； 2.分化发生于细胞分裂的G1期； 3. 快速增殖的细胞（G1期短暂或无G1期）不发生
8、分化或分化不明显； 4.高度分化的细胞增殖缓慢或丧失增殖能力。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,15,第二节 细胞分化的分子基础,一、基因组的活动模式 二、细胞质中分化决定因子的不均匀分布和不均等分配 三、基因选择性表达的调控 四、小RNA在细胞分化中的作用,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,16,一、基因组的活动模式,(一)基因选择性表达 1.基因选择性表达的概念 在个体发育过程中不同的发育时间和胚胎的不同细胞，只选择性地表达基因组中特定的部分（510%）基因，这种基因表达方式称为基因差异表达(differential expression)或顺序表达(se
9、quential expression)。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,17,2.研究依据,Southern杂交,输卵管细胞: 卵清蛋白mRNA 胰岛细胞: 胰岛素mRNA 成红细胞: -珠蛋白mRNA。,鸡输卵管细胞DNA 鸡胰岛细胞DNA 鸡成红细胞DNA,鸡输卵管细胞RNA 鸡胰岛细胞RNA 鸡成红细胞RNA,Northern杂交,卵清蛋白基因胰岛素基因 -珠蛋白基因,卵清蛋白基因胰岛素基因 -珠蛋白基因,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,18,3.结论 细胞分化过程中，基因组未改变，而是特定基因在特定时间和特定空间选择性表达，这是细胞分化的普遍性分
10、子机制。 4.管家基因与奢侈基因 管家基因(huosekeeping gene): 编码细胞生存所必需蛋白的基因，表达于所有细胞中。表达的蛋白称管家蛋白，例如核糖体蛋白，细胞骨架蛋白，膜蛋白，组蛋白等。 奢侈基因(luxury gene): 编码组织细胞特异性蛋白的基因，选择性的表达于特定的细胞和特定发育阶段，是于组织分化相关的基因。表达的蛋白称奢侈蛋白，例如血红蛋白，角蛋白，肌动蛋白和肌球蛋白,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,19,(二)基因组改变 1.基因扩增或基因组加倍：见于果蝇唾腺细胞、卵巢营养细胞、马氏小管细胞的分化过程； 2.基因丢失：马蛔虫个体发育过程中，生殖细
11、胞得到完整染色体，体细胞中只有部分染色体片段。哺乳动物（骆驼除外）的红细胞和角化细胞（表皮、羽毛和毛发）在成熟过程中失去细胞核。 3.基因重排：B淋巴细胞在分化过程中通过基因重排产生了抗体的多样性。 基因组改变是细胞分化的特例。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,20,二、细胞质中分化决定因子的不均匀分布和 不均等分配,受精卵细胞质（特别是mRNA,线粒体）的不均匀分布和不均等分配在早期胚胎发育和细胞分化中起重要作用。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,21,三、基因选择性表达的调控,（一）特定基因的表达是特异性转录因子与活性染色质相互作用的结果。 真核细胞基因
12、表达可以在RNA转录、RNA加工、RNA转运、mRNA降解、蛋白质翻译和翻译后修饰加工等多个环节进行调控。主要在转录环节调控。 转录调控是通过顺式作用元件和反式作用因子相互作用实现的。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,22,顺式作用元件(cis-acting elements)是特定DNA序列，与基因编码区连锁在一起，对转录起调控作用，包括启动子(promotor)、增强子(enhancer)、沉默子(silencer)。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,23,反式作用因子(trans-acting factors)是一组蛋白质，能直接或间接地识别或结合特定
13、的顺式作用元件核心序列(8-12bp)，参与调控靶基因转录效率。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,24,转录水平调节的反式作用因子可分为四类： RNA聚合酶； 普遍性转录因子(general transcription factor, GTFs)，非特异性地与靶基因的启动子结合，形成前起始复合物(pre-initiation complex，PIC)，并与RNA聚合酶相联系，启动基因的转录；,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,25,特异性转录因子(gene-specific (DNA-binding) regulatory factors) ，具有细胞及基因特
14、异性，特异性地与靶基因启动子和增强子(或沉默子) 结合，可以增强或抑制特定靶基因的转录； 协调因子(coregulatory factors)，改变染色质局部构像(如组蛋白酰基转移酶和甲基转移酶)，促进基因转录起始，或者直接在转录因子和前起始复合物之间发挥桥梁作用，推动前起始复合物形成和发挥作用。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,26,人珠蛋白基因表达特征,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,27,特定基因的表达是特异性转录因子与活性染色质相互作用的结果。,Locus control region,DNase酶解实验结果显示，成红细胞（早幼、中幼、晚幼）中只有L
15、CR对DNase敏感，意味着该区域染色质疏松，DNA较为暴露，即染色质处于活性状态，故而对DNase敏感，转录因子和聚合酶更易接近,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,28,（二）主控基因效应 主控基因(master control gene)即可以控制其它基因活动的基因。 主控基因与被控基因常构成基因簇，簇中各基因的表达表现为时间和空间共线性，即位于同基因簇一端的基因首先表达，从而启动该簇基因的顺序表达，并有严格的空间顺序。 主控基因通过被控基因控制的生命活动包括细胞分裂、分化、DNA修复以及程序性细胞死亡等。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,29,主控基因效
16、应举例： 外部信号激活myoD或myf-5，启动成肌细胞向肌细胞分化，主控基因的产物以级联反应形式激活下游基因。 myoD、MRF4、myogenin的编码产物均为转录因子，均以“螺旋-环-螺旋”的基序结合于DAN。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,30,（三）染色质成分的修饰与基因转录 染色质成分修饰包括DNA甲基化，组蛋白乙酰化、甲基化、磷酰化、糖基化、羰基化和泛素化等； DNA和组蛋白的修饰会引起染色质结构和基因转录活性的改变，而且这种修饰和改变是可遗传的。 1.DNA甲基化 （1）甲基化主要核苷酸：DNA甲基化主要发生在5-CG-3 序列中的胞嘧啶，成5-甲基胞嘧啶。
17、 （2）甲基化的效应：DNA甲基化降低DNA转录活性，甲基化程度越高，转录活性越低。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,31,（3）甲基化抑制基因表达的可能机制 甲基化位点阻碍或干扰转录因子与启动子结合； 转录抑制因子直接与甲基化DNA结合； 甲基化改变了染色质结构。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,32,2.组蛋白乙酰化和去乙酰化 （1）组蛋白密码：组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为组蛋白密码(histone code)，这些决定了染色质转录的活跃或沉默状态。 （2）乙酰化概念：组蛋白乙酰化是组蛋白乙酰基转移酶的作用下，于组蛋白N-端的赖氨酸加
18、上乙酰基(CH3-CO-)。 （3）乙酰化效应：大多数情况下，组蛋白乙酰化有利于基因转录，低乙酰化的组蛋白常位于非转录活性的常染色质区或异染色质区。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,33,（四）同源盒基因对基因表达的调控 1.同源盒基因的概念与特点 （1）概念：同源盒基因(homeobox gene)是普遍存在于真核细胞、与细胞分化和胚胎器官发生密切相关、具有180bp同源序列（同源盒）的一组基因。 （2）特点： 进化上高度保守，不同生物的该基因具有180bp的同源序列，谓之同源盒； 同源盒基因连锁形成基因簇；簇中基因的排列次序与特异表达空间相对应头区的最前叶只表达基因簇第一
19、个基因，身体最后端只表达基因簇的最后一个基因。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,34,基因表达程序化，并具有主控基因效应；基因表达的时间顺序性表现为越靠近前部的基因表达越早，靠近后部的基因表达较迟。 2.同源盒基因产物的功能与特征 同源盒基因编码的蛋白称同源域蛋白(homeodomain protein)。为转录调控因子，调控基因转录。 高度保守的60个氨基酸片断形成“螺旋-环-螺旋”结构（系一种motif），其中9个氨基酸（第4250位）与DNA大沟结合并识别基因启动子中的特异序列，从而激活或抑制基因表达。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,35,不同同源盒
20、基因中的同源盒编码的60个氨基酸序列，其中有9个氨基酸序列完全相同，是与DNA大沟结合的部位。有同源盒的基因称为同源盒基因。,Return to Page 41,Return to Page 42,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,36,果蝇的HOM基因以及哺乳动物的HOX基因在基因簇中的排列顺序与这些基因在头尾轴上特异表达空间相对应，头部最前端表达基因簇中第一个基因，尾部末端表达最后一个基因。,Return to Page 42,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,37,四、小RNA在细胞分化中的作用,小RNA是长度在2030 nucleotide的非编码RNA
21、。包括miRNA, siRNA等，尚无统一分类。 小RNA的功能有参与细胞分化与个体发育过程中的基因表达调控。 小RNA的功能最初是在对秀丽隐杆线虫的研究中发现的，但普遍存在于所有真核细胞。 秀丽隐杆线虫细胞中转录因子LIN-14特异性地促进早期幼虫蛋白质合成；,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,38,晚期幼虫检测到lin-14 mRNA，确检测不到LIN-14； 进一步研究，在第一、二龄幼虫发现了22nt的miRMA(名lin-4RNA)，lin-4 RNA与lin-14 mRNA 3端的UTR互补结合，可下调了LIN-14翻译水平；lin-4基因突变失去功能后， LIN-1
22、4蛋白持续高水平，幼虫一直停滞在低龄阶段。 2000年又发现存在于第三、四龄幼虫的let-7 RNA(另一种miRNA),其功能是促进线虫由幼虫向成虫转变。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,39,第三节 细胞分化的调节因素,一、细胞间相互作用在细胞分化中的作用 二、激素对细胞分化的调节 三、环境因素对细胞分化的影响 这些都是外部因素，基因是细胞分化的内部调节因素。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,40,一、细胞间相互作用对细胞分化的影响,（一）胚胎诱导 1. 胚胎诱导的定义：胚胎发育过程中，一部分细胞（诱导细胞）影响相邻细胞（反应细胞）并决定其分化方向的现象
23、称胚胎诱导(embryonic induction) 。也称分化诱导(differentiation induction) 。 2.胚胎诱导的特点：中胚层细胞最早独立分化，诱导作用最强；能诱导和促进内、外胚层向相应的组织器官分化。 最典型的胚胎诱导是神经管及眼发生过程中的多级诱导作用。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,41,脊索诱导其表的外胚层形成神经板（初级诱导），进而形成神经沟，再发育成神经管，神经管前端发育成前脑。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,42,前脑两侧膨突形成视泡，视泡凹陷成视杯，视杯诱导其表面的外胚层形成晶状体（次级诱导）；视杯本身形成视网
24、膜和虹膜。,A：胚胎头部外胚层覆盖视泡，后者来源于前脑两侧膨突 B：视泡与外胚层逐渐紧密接触，接触部的外胚层形成晶状体板,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,43,视网膜和虹膜诱导其表面的外胚层形成角膜（三级诱导）。,C：视泡凹陷形成视杯，晶状体板随之内陷形成晶状体泡 D：晶状体泡与外胚层分离形成晶状体，视杯形成视网膜和虹膜，进而诱导其表面的外胚层形成角膜,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,44,3.胚胎诱导的分子基础： 胚胎诱导是通过诱导细胞释放旁分泌因子（paracrine factor）实现的； 旁分泌因子以诱导细胞或组织为中心形成由近及远的浓度梯度，与反应
25、组织细胞表面受体结合，通过特定的信号转导途径，调节反应细胞的基因表达，诱导细胞分化和发育。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,45,（二）分化抑制 分化完成的细胞可抑制相邻细胞发生同样分化。 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。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,46,二、激素对细胞分化的调节,（一）激素调节的特点： 1.作用于个体发育较晚期 2.远距离调控 3.靶细胞的特异性 4.作用的高效性 5.协调机体广泛而复杂的发育过程 （二）举例： 1.促性腺激素和性激素调节核基因表达 2.昆虫蜕皮激素促进其变态发育 3.两栖类甲状腺素（T3
26、、T4）促进其变态发育,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,47,三、环境因素对细胞分化的影响,细胞分化的方向可因环境因素影响而改变。 1.两栖类动物受精卵的背-腹轴的决定与重力有关； 2.鳄鱼的性别决定和分化与温度有关； 3.哺乳类动物（包括人）B淋巴细胞的分化与发育依赖于外来抗原的刺激； 4.干细胞在I型胶原和纤粘连蛋白上分化成纤维细胞； 5.在II型胶原及软骨粘连蛋白上分化成软骨细胞； 6.在IV型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,48,第四节 细胞分化与肿瘤细胞,一、肿瘤细胞的分化特征 1.低分化，去分化，不合成组织特异
27、性功能成分，存在功能缺陷。 2.增殖力强，培养时具有永生性的特点。 二、肿瘤细胞的分化起源 1.多数肿瘤起源于未分化或低分化的干细胞，它们在增殖过程中异常分化；少部分肿瘤起源于已分化的组织更新时去分化。 2.干细胞的分化程度越低，由其转化成的肿瘤恶性程度越高。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,49,三、肿瘤细胞向正常细胞的诱导分化 1.肿瘤细胞向正常细胞的转变可自然发生和诱导发生，需要较强的分化信号； 2.维甲酸等分化诱导剂对肿瘤的分化诱导作用已从实验室走向临床。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,50,第五节 细胞分化与再生,再生(regeneration)
28、是动物体修复缺失组织或更新组织细胞而进行的细胞增殖和分化活动。 再生出的组织与原组织在形态、结构、功能上相同。 再生分为生理性再生（组织更新）和病理性再生（创伤修复）。 再生过程中有程度不同的细胞分化。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,51,再生过程中有程度不同的细胞分化。 缺损部分越多，再生部分越大，细胞与组织分化越明显。 越是低等的动物再生能力越强，医学需要研究低等动物再生的机制与条件。,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,52,复习题,一、名词解释 1.cell differentiation 2.cell determination 3.dediffer
29、entiation 4.transdifferentiation 5.housekeeping gene 6.luxury gene 7.differential gene expression 8.sequential expression 9.embryonic induction 10.细胞全能性 11.顺式作用元件 12.反式作用因子,2009-10,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,53,二、叙述题 1.举例说明细胞分化的分子机制。 2.细胞分化有哪些基本特点？ 3.说明人体发育过程中细胞生长、增殖与分化的作用或意义。 4.说明细胞分化的概念、分化细胞的标志、细胞分化潜能与增殖潜能的关系。,