中国海洋大学细胞生物学课件17细胞分化02.ppt

线虫卵受精后P颗粒的定位集中上图示早期胚胎细胞核定位 下图示P颗粒 极粒 集中到生殖系细胞中 受精后P颗粒向后端迁移集中 与微丝作用有关 当发育到26细胞阶段时 P颗粒完全集中到P4细胞中 P4细胞产生生殖细胞 卵后端的细胞质含有一种颗粒物质 极粒 polargranules 极质 poleplasm 极质能决定生殖细胞的分化 果蝇 Drasophila 生殖质 germplasm 决定生殖细胞分化的细胞质成分 果蝇胚胎临完成卵裂时的扫描电镜图 极细胞集中在右端 虫体后端 从果蝇极细胞中分离出的极粒电镜图 在正常卵细胞中 决定子有一定的空间定位 虽然可人为改变其分布位置 但其性能不会因位置的改变而改变 蛔虫受精卵的正常卵裂 a 和离心后卵裂 b 过程中生殖质分布与生殖干细胞形成的关系示意图 体细胞的分化同样受细胞质因子的决定 如昆虫幼虫的成虫盘 二 体细胞决定子 用紫外线照射摇蚊 Smittia 卵前部形成双腹部畸胎的模式图解 卵的前端含有诱导前部体节分化的决定子 决定子对细胞分化方向的影响是靠决定基因的选择性表达来实现的 同源异型基因 homeoticgenes 或同源异型选择基因 homeoticselectorgenes 能确定一群细胞的个性和发育途径 他们编码同源异型区转录因子 在个体中终生表达 这类基因的共有结构特点是 都含有一段相同的核苷酸序列 此序列称为同源异型框 homeobox 编码一段60个氨基酸的序列 此段氨基酸序列称为同源异型域 homeodomain 在三维结构上同源异型域序列形成螺旋 转角 螺旋 helix turn helix 结构域 它可同专一DNA序列结合 果蝇与哺乳动物的同源异型框的对比图解 控制体节个性的同源异型基因组成了两群 触角足复合物 调控头部和第一胸节中副节的个性 双胸复合物 调节其余各副节的个性 这两个复合物总称为HOM复合物 体节的个性是由一定区域中的基因配合作用所决定 触角足复合物和双胸复合物中同源异型基因的排列顺序 同源异型基因在小鼠整个胚胎中的表达照片 细胞质成分 如特定的蛋白质或mRNA 在细胞中形成不对称分布 造成细胞的极化 细胞不对称分裂示意图细胞质成分不均匀定位 使细胞极化 分裂后两个子细胞获得不同成分的细胞质 产生不同的分化命运 极化细胞有丝分裂时如果纺锤体与极化轴一致 所产生的两个子细胞就继承了不同的细胞质成分 从而分化成了不同类型的细胞 在成体中也存在着决定子 果蝇神经母细胞的分化模式果蝇的神经母细胞分裂成两个子细胞 一个分化为神经节细胞 另一个仍保持为未分化神经母细胞 干细胞 的状态 神经母细胞 干细胞 神经节细胞 神经母细胞 干细胞 子细胞的分化方向是由得到的细胞质来决定 含有2种基部蛋白 Miranda Numb 顶端含有由3种蛋白质 Baz Par6 aPKC 组成的顶端复合物 细胞分化中核质关系小结 基因组 基因的选择性表达 新一轮基因表达 再新一轮基因表达 更新一轮基因表达 更新一轮基因表达 更新一轮基因表达 更新一轮基因表达 更新一轮基因表达 更新一轮基因表达 更新一轮基因表达 Acell Bcell Ecell Dcell Gcell Ccell Fcell Hcell Icell Jcell Functioncell Terminaldifferentiated 功能蛋白质组 更新一轮基因表达 核质关系模拟图解 胚胎的正常发育首先起始于受精卵中母体信息的表达 形态发生决定子是卵母细胞预先合成的贮存信息 其定位分布与定时激活 通过各种途径调节胚胎基因组的表达 早期合成的蛋白质又对晚期发育的基因表达起调节作用 于是便形成了个体发育的反应连锁和网络 为个体的建成奠定了信息和物质基础 卵中的决定子是RNA性质的物质 第四节卵中影响细胞分化的细胞质因子的性质 一 决定子是RNA调控信息 RNase 母体信息 maternalmessages 是由在卵母细胞成熟过程中转录的mRNA指导合成 二 调控信息来源于母体 以mRNP颗粒形式存在的沉降系数要大于核糖体的母体信息 信息体 informasome mRNA遍布整个卵 mRNA沿卵轴定位分布 母体信息 编码管家蛋白 持家基因 编码专一发育的蛋白质 奢侈基因 海胆早期发育的卵裂方式 卵母细胞中定位分布的mRNA 在受精后经卵裂进入不同的细胞 指导合成专一的蛋白质 个体发育的编程存在于卵母细胞中 精子通过受精激活卵 经卵裂进入不同的细胞 指导合成专一的蛋白质 卵确实不是均质的 卵物质的定位分布与胚胎各部分的形成有一定的关系 卵子受精后 卵母细胞中贮存的mRNA有秩序地被激活 在严格的调控下 在一定时间合成胚胎发育所需要的蛋白质 三 卵的激活与母体信息的翻译调控 成熟卵母细胞中供受精以后利用的mRNA都结合有专一性的蛋白质 各种mRNA结合的蛋白质有所不同 1 隐蔽mRNA maskedmRNA 的利用 受精后因离子的浓度变化使隐蔽mRNA中的mRNA游离出来起始翻译 不能被翻译 真核生物的mRNA 在5 端都有一个 m7G 帽 是mRNA与40S核糖体亚单位相识别的结构 如果此核苷酸是未甲基化的无帽信息 就不能进行翻译 2 无帽信息的修饰 卵母细胞中有些含mRNA的RNP颗粒被隔离起来 是为封存信息 sequesteredmessages 它们无法接近核糖体 故不能发挥作用 3 封存信息的利用 4 翻译效率的改变 成熟的卵母细胞中pH值比较低 对蛋白质的合成有抑制作用 第五节细胞间相互作用和环境因素对细胞分化的影响 胚胎诱导 embryonicinduction 动物在一定的发育时期 一部分细胞影响相邻细胞分化方向的作用 一 胚胎诱导 人眼的发生示意图 鸟类翅的胚胎诱导实验 鸟类爪的胚胎诱导实验 两栖类的胚胎诱导实验 受体胚胎 移植的胚孔背唇形成第2个迁移位点 形成的联体双胚 背唇 初级诱导者 二 细胞数量效应 细胞分化必须有一定数量的细胞为基础 胰腺原基 爪蟾尾部退化过程中甲状腺素的分泌量增加导致溶酶体组织蛋白酶增加 尾部细胞被消化 三 激素的作用 两栖类的变态过程 环境中的物理 化学因子 以提供信号的方式影响机体的细胞分化 四 环境对细胞分化的影响 生物成体丢失的组织或器官重新生长和修复的过程称为再生 regeneration 植物的再生能力最强 一个体细胞即可产生一棵完整的植株 在动物界中 一般无脊椎动物的再生能力要高于脊椎动物 有的动物的再生能力很强 如海星 棘皮动物 扁虫 Planarias 和水螅 Hydra 等 这些动物的一小片组织即可再生成一个结构和功能齐全的个体 它们的强再生能力与它们进行无性繁殖有关 第6节再生与去分化 动物再生能力最强的一个例子是海鞘 Ascidians 它的一个血细胞即可生成一个完整的个体 但是再生能力的强弱在进化上并没有严格的对应关系 例如 与水螅同属腔肠动物的水母 再生能力就很弱 线虫 nematode 则完全没有再生能力 在脊椎动物中 蝾螈和其它有尾两栖类的再生能力相当强 如蝾螈的晶状体切除后 虹膜的色素上皮细胞可再生出晶状体 蝾螈晶状体再生示意图晶状体切除后 由虹膜色素上皮再生出新的晶状体 A 眼球的正常结构 B 背视网膜细胞去分化 C G 背视网膜细胞再生成晶状体 一 再生的类型 主要通过尚存组织重新进行模式形成和重新建立边界而进行的再生过程 再生时 尚存结构重新表现出原有结构的发育模式 随之按比例进行扩大生长 完成再生 例如水螅和扁虫被切成两段后 每一段均可再生出失去的一段 根据再生过程的方式不同 可将再生现象分为两类 1 变形再生 morphallaxis 2 新建再生 epimorphosis 依靠新的生长 重新组建失去的结构 高等动物的再生即属此类 如蝾螈肢体的再生 罗氏海盘车腕的新建再生 新生腕芽 残腕 自樊廷俊等 2005 二 去分化与转分化 再生时 所余分化细胞通常要先失去其结构和功能特征 而逆转成胚胎性的未分化状态 这一变化过程称为去分化 dedifferentiation 在动物中 去分化细胞具有胚胎间充质细胞的功能 可再进行分化 在植物中 去分化细胞形成愈伤组织 callus 进而再生出丧失的部分或再生植株 去分化往往随之即发生再分化 redifferentiation 去分化细胞再分化成它种细胞的变化过程称为转分化 transdifferentiation 1 蝾螈的前肢被部分切除后 伤口处细胞间的粘合性减弱 表皮细胞通过变形运动移向伤口 形成细胞单层 顶外胚层帽 apicalectidermalcap 封闭伤口 2 顶帽下方的细胞 骨细胞 软骨细胞 成纤维细胞 肌细胞和神经细胞 迅即发生去分化 并形成一团去分化细胞 再生胚芽 regenerationblastema 胚芽细胞继续增殖 并分化成新的肢体结构 在动物中 有尾两栖类肢体的再生过程大体上包括 蝾螈前肢的切除再生 三 去分化的调控机制 肢体部分切除后 剩余部分的表皮细胞移行到创面上 经分裂增殖 形成顶外胚层帽 帽下方的各种细胞 包括骨细胞 软骨细胞 成纤维细胞 肌细胞和神经细胞 迅速去分化 巨噬细胞分泌金属蛋白酶 消化了细胞外基质 使细胞彼此分散开 失去了分化细胞的特征差别 原来在肌细胞中表达的基因 MRF4 myf5 降低表达 而在胚胎间充质细胞中表达的msx1基因表达急剧升高 这群去分化的细胞重新进入细胞周期 形成了能分裂的再生胚芽 blastema 经再分化形成肢体新结构 视黄酸是在再生肢体创伤表皮的顶外胚层帽中合成的形态发生素 它沿再生胚芽的近远轴形成浓度梯度 在细胞去分化和形成再生胚芽过程中起重要作用 1 视黄酸的作用 视黄酸 msx1基因 Hoxa基因 促进间充质增殖 再生胚芽的肢体模式形成 激活 2 Rb蛋白的作用 成体肌细胞高度分化 不再分裂 蝾螈肢体再生时 肌细胞又重新进行细胞分裂 肌细胞退出细胞周期与Rb基因的表达产物Rb retinoblastema 视网膜瘤 蛋白的去磷酸化有关 生长因子刺激细胞增殖过程图解 A 无生长因子时 去磷酸化的Rb蛋白与专一基因调节蛋白结合 调节蛋白处于无活性状态 B 生长因子与细胞表面受体结合 激活细胞内信号传递途径 进一步激活G1周期蛋白 Cdk复合物 使Rb蛋白磷酸化并失活 于是基因调节蛋白游离出来 激活靶基因的转录 使细胞分裂 实验表明 胚芽的生长必须有神经的存在 胚芽生长时的有神经进入和分布 如果把神经切除 胚芽则不能生长 神经的作用是为胚芽的生长提供生长因子 如胶质细胞生长因子 glialgrowthfactor GGF 或成纤维细胞生长因子 fibroblastgrowthfactor FGF 3 神经对胚芽生长的支持作用 哺乳动物的再生能力比较差 截肢后一般不能再生 但是有的器官局部切除后 仍可再生 如鼠肝大部分被切除后仍能再生恢复原状 利用新生的负鼠 Didelphis 实验表明 在截肢前 向肢体中埋入一片脑组织 则截肢后仍可再生 幼儿指尖 最后指节的甲根以远部分 如果被截去 只要不缝合皮肤 仍可再生 甚至能长出指纹和指甲 四 哺乳动物的再生潜能 植物的再生能力极强 甚至一个体细胞即可再生出一棵完整的植株 并不表现出极性 然而部分茎再生时 则表现出极性 从植株上截取一段茎进行培养 重又长出苗和根 再生的根总是由近根端长出 而苗则是从茎的近苗端长出 五 植物的极化再生 植物的极化再生现象示意图 这种极化再生现象与维管分化和植物生长素 auxin 的极化运输有关 植物生长素来自苗端分生组织 向着根运输 当茎截断后 近苗端的生长素便向着茎的近根端运输 在近根端积累 从而诱导生成根 极性是由生长素的流向决定的 六 再生的实践意义 大家发现分化细胞在一定条件下可发生去分化 重新返回到胚胎性的未分化状态 而且还可获得再分化和转分化的潜能 为此 去分化的原理和技术成了学者们极为关注的问题 细胞和组织能够重新获得未分化细胞的分化潜能 具有极为重要的临床意义 分化细胞去分化是再分化的先决条件 但细胞不会自动去分化 外来信号和细胞内的一定的信号转导途径 才会诱导细胞去分化 1 机械刺激除蝾螈肢体和晶状体切除后可诱发再生外 人的肝脏部分切除后也可再生除缺失的部分 2 化学因子目前学者们已找到了一些诱发特化细胞去分化和逆转为祖细胞的化学物质 例如 EGF可使甲状腺细胞去分化和增殖 甚至合成的逆转素 reversine 也能诱导细胞去分化 逆转为祖细胞 诱发细胞去分化的因子有机械刺激和化学因子 外来信号引起细胞反应 要通过一定的信号传递途径 如当神经受伤时 分化的神经膜细胞发生去分化 以利于神经再生 在此过程中 Ras Raf ERK信号传递途径 MAP kinase 丝氨酸 苏氨酸磷酸化途径 驱动细胞去分化 Ras Raf ERK信号传递途径即有丝分裂原激活蛋白质激酶 mitogen activatedproteinkinase MAP kinase 丝氨酸 苏氨酸磷酸化途径 Transcription 去分化细胞再转分化成为功能细胞 显然这是治疗损伤组织的一种有效途径 学者们正在这方面积极探索 学者们把这一领域称为再生医学 regenerativemedicine 本章内容提要 第2节细胞分化与差别基因表达 第3节细胞分化中的核质关系 第4节卵中影响分化的细胞质因子的性质 第5节细胞间相互作用和环境因素对细胞分化的影响 第1节细胞分化的特征与细胞的发育潜能 形态结构 生理状态发生差异差别基因表达细胞分化方向的限定早于形态差异的出现分化细胞的表型保持稳定脱分化与转分化