细胞分化-细胞生物学

第十二章 细胞分化cell differentiation一、概念二、细胞分化的物质基础和特点三、细胞分化的可逆性和全能性四、细胞分化的实质五、细胞分化的机理六、影响细胞分化的因素七、癌细胞 一、概念l 细胞分化（ cell differentiation） 是一种类型的细胞在形态结构生理功能和生化特性等方面 稳定 地转变成另一类型细胞的过程。l 黑色素细胞体外培养三十多代l 多细胞生物中细胞分化发生于整个生活史中，但 胚胎期 是最重要的分化期l 细胞分化发生于一切真核细胞中，并可追溯到原核细胞二、细胞分化的物质基础和特点(一 )细胞分化的物质基础新的性状 =新的蛋白质（二）细胞分化的特点1、决定性 在能识别一个细胞的分化以前，就有了一个预先保证细胞怎样变化的时期，这个阶段称为 细胞决定 （ cell determination）。如动物受精卵的卵裂（动物极，植物极）（ 1） 细胞决定的稳定性和遗传性 成虫盘细胞 9年， 1800代后l将成虫盘取出再移到幼虫体内，当幼虫变态时被移植的成虫盘细胞仍发育成相应的成体结构。a、 正常果蝇的触角为具芒触角； b、 突变果蝇的触角发育为足 引自 Lehninger Principles of Biochemistry 3rd ed. （ 2）转决定（ transdetermination） 即决定的细胞改变了原来的预定发育方向，使细胞分化的结果偏离决定方向，也就是从一种遗传状态转变成另一种遗传状态称为转决定转决定的发生是 遗传性突变 的结果，它是 一群细胞而不是单一细胞发生变化。转决定的细胞：其它类型（同源异形）或原初状态的结构。2、时空性 “ 时 ”= 不同的发育阶段“ 空 ” =环境3、不可逆性 l 一个细胞一旦分化成稳定类型以后，就不能逆转到未分化状态。如哺乳动物高度分化的成熟红细胞不会再返回到有核的前体细胞。l 有机体常保留一部分未分化的多能性干细胞，可用来弥补失去的可逆性，一旦需要，干细胞即进行分裂，新细胞按发育途径产生专一的分化细胞。三、细胞分化的可逆性和全能性细胞分化绝对是不可逆的？1958 Steward：分化的细胞 脱分化（ dedifferentiation） 胚性细胞的状态 再分化（ redifferentiation） 根茎 完整植株，与胚胎发育过程相似。l 细胞全能性（ totipotency） 指已经分化的细胞在一定条件下不仅能 脱分化 ，而且还保持着全套基因组织，并且有 再生 生物体的遗传潜力。l 1964年 Guha等培养毛叶曼陀罗的花药产了单倍体花粉植物，动物细胞也能象植物细胞那样脱分化而再生新的肢体，如蝾螈在切除肢体后可再生。(一 )植物细胞全能性l 已被广泛用于生产实践中，现已培养出一大批包括水稻、小麦、烟草、苗木、花卉等。（二）动物细胞的全能性受精卵能够分化出各种细胞、组织，形成一个完整的个体 。 随着分化发育的进程，细胞逐渐丧失其分化潜能。细胞分化潜能 的改变全能性 （totipotent）多能性 （pluripotency)单能性 （monopotency)终末分化 （terminal differentiation)1 全能性细胞 仅在低等动物中存在或高等动物在胚胎发育的早期。2 全能性细胞核 现在的技术手段还不能使已分化的高等动物细胞直接再生成完整个体，但许多研究证明已分化的细胞核仍保持着全套基因组并在一定条件下可具有全能性。Gurdon（ 62， 74，75） 用非洲爪蟾为材料进行核移植，证明了已分化细胞核仍保持着全套的基因组。童第周 1978曾报导将黑斑蛙的红细胞核移入去核的黑斑蛙的卵，核即分裂，卵发育成正常蝌蚪，血细胞核变成各种有功能的细胞核。 1997年克隆羊的诞生（Wilmut） 说明高度分化的细胞核仍具有全能性 3 不可逆的分化细胞 哺乳动物的红细胞成熟后失核，马副蛔虫体细胞染色体消减（染色体失去 达 80）等属此类。具有相同基因组成的细胞为什么会出现不同的性状呢？肌细胞：收缩性蛋白质红细胞：血红蛋白四、细胞分化的实质细胞分化归根到底在于特定基因的表达即细胞分化的实质（本质）是 基因表达的调控问题 。differentiation Process usually involving changes in gene expression by which a precursor cell becomes a distinct specialized cell type（一）基因的差次表达（ differential expression， 顺序表达 sequential） 胚胎在发育过程中之所以相继出现新的细胞类型是由于有关的特定基因按照一定顺序相继活化的结果，这种现象称基因的 差次表达 。 （二）奢侈基因与管家基因1奢侈基因（ luxury gene） 指与各种分化的特殊性状有直接关系的基因，是编码组织特异性蛋白的基因，对 细胞生存无多大影响 。如血红蛋白、丝心蛋白的基因。其特点是：（ 1）在特定的分化细胞中表达；（ 2）只在特定的时间内表达；（ 3）对细胞的生存无直接影响；（ 4）对细胞的分化起 决定性 作用。2管家基因（ housekeeping gene） 指维持细胞最低限度的生命活动所不可缺少的基因，是细胞 生存所必须 的。如编码与细胞分裂及能量代谢有关的蛋白质的基因，其特点是：（ 1）所有细胞共有；（ 2）细胞周期的任何时期都表达；（ 3）对细胞分化只起 协助 作用。管家基因与奢侈基因的拷贝数？重复基因（ repeated or duplicated gene）非重复基因（ unrepeated or unique gene）重复 106以上称为高度重复，如随体 DNA，102 5中度重复 rRNA、 tRNA、 5sRNA的基因。非重复基因，重复次数 102以下，如丝心蛋白的基因。管家基因 =中度重复；奢侈基因 =非重复基因，但有例外如羽毛角蛋白的基因 100240 。五、细胞分化的机理 （一）细胞分化与基因本身的变化l 分化的细胞或核具有全能性l 为何致癌病毒基因整合到宿主细胞引起细胞癌变，说明基因本身的变化与细胞分化有一定关系，现认为基因活性的变化与 DNA的甲基化和 DNA重排 有关。（二）转录水平的调节 转录控制 (transcriptional control)是真核生物控制基因表达的重要调控方式，通过转录调控，使基因在不同组织中进行差异表达。如何判断两种组织中差异蛋白的来源 ?转录调控的 实验证据： 组织特异性 mRNA。 1 唾腺染色体 疏松区和 Puff位置的变化说明细胞分化过程中染色体的基因按照一定顺序进行差次表达，什么因素导致基因的开关转录出不同的 mRNA？2染色质重组实验 Gilmour和 paul取兔子胸腺和骨髓细胞的染色质分别分离出 DNA、 非组 Pr和组 Pr，用重组的染色质作模板，加入 RNA聚合酶和各种前体核苷酸就可合成 RNA结果如下：（ 1）未分离的胸腺染色质能合成胸腺 mRNA（ 2） 未分离的骨髓染色质能合成骨髓 mRNA （ 3） 重组的胸腺染色质能合成胸 腺 mRNA（ 4） 重组的骨髓染色质能合成骨髓 mRNA （ 5） 骨髓 DNA 组 Pr 胸腺 DNA 组 Pr 胸腺非组蛋白重组后 合成胸腺 mRNA（ 6） 骨髓 DNA 组 Pr 胸腺 DNA 组 Pr 骨髓非组蛋白重组后 合成骨髓 mRNA 染色体重组实验表明，非组蛋白与基因选择性表达的调节密切相关，特异的非组 Pr可能决定相应的特定基因的转录，即 调节转录过程中的调控因素是非 组 Pr。但也有人证明 mRNA是基因表达的激活因素（牛满江 1970，孵化 1618 小时的鸡胚切成两半，放在生理盐水中或心脏 的 mRNA中浸泡后培养，发现在生理盐水中浸泡过的鸡胚发育正常，而心脏 mRNA浸过的心脏发育特大，而其它均发育不良，故牛满江认为心脏 的 mRNA激活了心肌的基因表达）。3.组蛋白转移模型（ histone displacement model）Stein 1975年提出组蛋白转移模型：组蛋白与DNA链结合，抑制转录，非组蛋白在一定的部位与 DNA结合，它发生磷酸化带上负电荷，即与带正电荷的组蛋白牢固结合而使 DNA裸露（结合物从 DNA上离开）使此部位 DNA发生转录。组蛋