细胞生物学第13章ppt课件

Chapter13,Embryodevelopmentandcelldifferentiation,1,.,在个体发育中,细胞的后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化(differentiation)，其本质是基因选择性表达的结果，即基因表达调控的结果。,Celldifferentiation,2,.,concept,个体发育（individualdevelopment）从受精卵形成胚胎、再由胚胎生长发育成个体的过程。从生长、发育、成熟到形成下一代的卵细胞或精细胞，直至个体逐渐衰老死亡的过程，构成个体发育史。从形态上看，个体发育过程经历生长(growth)、分化(differentiation)和形态发生(morphogensis)。,细胞分化（celldifferentiation）在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生各不相同的细胞类群的过程。其本质是基因选择性表达的结果，即基因表达调控的结果。,3,.,OUTLINE,01,Gametegenesisandfertillization,02,Embryonicformationanddifferentiation,03,Molecularbasisofcelldifferentiation,04,StemCell,4,.,5,13.1.1Gametegenesis配子发生,13.1Individualdevelopment,雌雄生殖细胞的发生都要经过三个时期，即增殖期、生长期和成熟分裂期。,雌、雄配子发生过程的比较,配子的形成过程，即二倍体的原始生殖细胞要通过减数分裂和分化转化成为单倍体的卵或精子的过程。,malegamete:sperm,femalegamete:egg,.,13.1.1.1卵子发生（oogenesis）,有丝分裂期：在大多数动物中，卵子发生(oogenesis)(即卵子形成)，发生在卵巢，并且有一个增殖期(proliferationphase)。在该期，卵原细胞(oogonia)通过有丝分裂增加细胞数量。生长期：经过有丝分裂增殖之后，卵原细胞进行减数分裂，此时的卵原细胞被称为卵母细胞(oocyte)，经减数分裂，染色体发生遗传重组，并将染色体组的数量减半成为单倍体。在卵子发生的生长期，卵母细胞常常要储备大量的蛋白质、脂类、糖类，以供受精后的胚胎发育之用。这些物质中有一些是卵母细胞自身制备的，但大多数都是靠其它来源提供的，如肝细胞、滤泡细胞(folliclecell)和抚育细胞(nursecell)。液泡细胞是卵母细胞周围的细胞。抚育细胞为无脊椎动物，如昆虫的卵母细胞生长提供支持。减数分裂期：卵子发生的生长期完成之后，卵母细胞准备进行减数分裂，但是卵母细胞不会自动进入成熟期，而是停滞在前期，直到有适当的激素进行刺激。卵母细胞的减数分裂是高度不对称的，最后产生一个成熟的卵细胞和三个极体(polarbody)。,6,.,卵母细胞在发育过程中具有显著的不对称性。卵母细胞的一端称为植物极(vegetalpole)，相反的一端称为动物极。,7,.,13.1.1.2精子发生（spermatogenesis）,雄性的精子发生于卵子发生过程有很大的不同。动物的雄配子称作精子，是在睾丸中通过精子发生过程产生的。在哺乳动物中，精子发生与支持细胞(Sertolicells)的发生密切相关，支持细胞为发育中精子提供保护和营养。实际上，精子发育的各个阶段都是发生在支持细胞的表面。支持细胞排列在构成睾丸输精管上，包埋在支持细胞表面的凹处的发育中的精细胞。成熟的精细胞从支持细胞释放进入输精管的腔。精子发生:开始于雄性原始生殖细胞精原细胞(spermatogonia)的有丝分裂，雄性中的精原细胞的有丝分裂在成年中生命过程中是持续发生的，因而能够不断产生大量的精细胞。有丝分裂：在精母细胞(spermatocyte)有丝分裂增殖过程中产生的某些细胞最终分化成初级精母细胞，然后进入减数分裂。第一次减数分裂：将初级精母细胞转化成次级精母细胞。第二次减数分裂：次级精母细胞产生功能上不成熟的精子细胞（spermatid），必须通过精子发生将减数分裂产生的精子细胞(spermatid)转化成成熟的精细胞(spermcell):一个长长的尾和带有顶体(acrosome)的头。,8,.,9,.,10,13.1.2Fertilization受精作用,定义：单倍体的精子与卵子融合，重新形成一个二倍体细胞的过程基本过程：精卵间的接触精子对卵背的穿透精子与卵子质膜的融合卵的激活涉及反应：acrosomalreaction顶体反应corticalreaction皮层反应pronucleifussion原核融合,.,11,13.1.2Fertilization受精作用,13.1.2.1acrosomalreaction顶体反应：顶体泡顶体突大多数的精子都是靠游动来发现卵细胞，并与透明带结合。为了确保精细胞与卵子的正确结合，需要有一种特别的机制。海胆的卵细胞外被中含有一种小肽，叫作呼吸活化肽(resact),它可以作为化学附着物，扩散到海水中，能够选择性地与同种海胆精子表面的特异受体结合，这种受体具有尿苷环化酶的作用，与海胆的呼吸活化肽结合之后，能够在细胞内产生第二信使cGMP。呼吸活化肽与受体的结合，指导了精子的运动，发现卵子并与之结合，然后进行顶体反应。,.,12,糖蛋白与受体识别，Ca2，pH升高，膜融合，,释放水解酶,形成顶体突,结合蛋白与受体识别,水解酶,海胆的受精过程,.,在哺乳动物中，受精作用发生在雌性动物的体内，是靠精子沿生殖道游动找到卵细胞，然后发生顶体反应。在小鼠卵细胞的透明带中有一种单体糖蛋白，ZP3在受精过程与负责与精子结合并诱导顶体反应。哺乳动物在交配中射出的精子必须在雌性生殖道中被分泌物修饰，这一过程称为获能(capacitation),在人类通常需要56小时。精子获能是对精子细胞质膜的脂和糖蛋白成份进行修饰，其结果增强了精子的代谢能力和运动能力。一旦获能的精细胞穿透滤泡细胞层，就会与透明带结合。哺乳动物卵细胞的透明带有三种糖蛋白，其中ZP2和ZP3装配成纤维，而ZP1对这些纤维进行交联形成三维结构。ZP3作为精子的受体，使得精子与卵细胞进行特异性的结合，引起顶体反应。,受精作用顶体反应,13,.,13.1.2.2corticalreaction皮层反应虽然在受精作用的开始，一个卵细胞常常被成百上千个精细胞结合（图13-9），但在正常情况下只有一个精子能够同卵细胞的质膜融合，并将细胞核和一些细胞器注入到卵细胞质中，如果有多个精子与同一个卵细胞融合，则称为多精受精（polyspermy）,一般不会正常发育。有两种机制保证了只有一个精子与卵细胞融合，所以多精受精是很少发生的。确保单精受精的机制：卵细胞质膜的快速去极化：亦称为多精受精的一级阻断Jaffe实验发现，海胆卵细胞在受精后的几秒钟内，膜电位由-60V上升到+20V，质膜的去极化阻断了多精的融合作用。卵细胞的皮层反应：主要是防止多精受精，属于多精受精的二级阻断。当精细胞与卵细胞的细胞质膜融合时，激活了卵细胞的磷脂肌醇信号转导途径，引起卵细胞局部胞质溶胶中Ca2+浓度的升高，激活了卵细胞；定位于卵细胞质外周的皮层颗粒（corticalgranule）与卵细胞质膜融合释放内含物（酶类）；释放的酶类快速分布到整个卵细胞的表面，改变透明带的结构，使之变得“坚硬”，这样，精子就不能与卵细胞结合，从而提供了一种缓慢的二级多精受精的阻断作用。从机理上说，皮层颗粒释放的酶类破坏了卵细胞透明带中与精细胞结合的受体。,14,.,15,13.1.2.3Pronucleifussion原核融合,精细胞的细胞核进入卵细胞质后，包被紧密的染色质开始解旋。精子的细胞核膜解体形成小的囊泡，并立即与精子细胞和脱离，形成没有核被膜的精子染色质。随即形成新的核被膜，称为雄性原核(malepronucleus)。雄性原核向卵细胞的雌性原核移动，当两个原核相互接触时，通常会发生融合，形成一个二倍体的核。,哺乳动物受精后的精细胞与卵细胞的两个原核的融合原核移到卵细胞的中央，当它们碰到一起时，各自的核被膜解体，中心粒复制，两个配子的染色体在纺锤体的作用下排列在同一个赤道板，进行合子的第一次卵裂,.,16,海胆的卵母细胞，在受精前，只有不到1%的核糖体具有活性，所以蛋白质合成几乎完全停滞。但受精后不到5分钟，蛋白质合成速率大大增加，不到30分钟，蛋白质合成速率达到最高。,14.1.4受精激活与母体效应,.,17,激活反应：,在卵细胞受精后加入RNA合成的抑制剂不会影响蛋白质合成，这表明合成蛋白质的mRNA是卵母细胞带来的。这些由卵母细胞带来的信息分子称为母体信息（maternalInformation）。,.,18,13.2Embryonicformationanddifferentiation,13.2.1胚胎形成,卵裂受精后，受精卵经过多次有丝分裂，形成许多分裂球，这个过程叫卵裂（cleavage）。它与体细胞有丝分裂比较具有以下三个特点：细胞增殖，伴随着一定程度的卵内物质的重新分配，而无细胞生长；由于第一个特点而产生的核质比例越来越大；细胞间期较短，分裂快，迅速形成囊胚（blastula）,.,蛙的胚胎,19,.,20,.,13.2.2原肠胚形成（gastrulation）囊胚细胞迁移，最终将囊胚转变成原肠胚(gastrula)，它是由三层细胞层构成的。外胚层形成上皮覆盖在外表面(皮肤和腺体)以及中性组织；内胚层分化成的上皮覆盖在组织的内表面（胃肠和相关的腺体）；中胚层最终发育成扩散的海绵网状间充质细胞（mesenchymecell），这些细胞形成支持细胞，如肌肉、软骨、骨、血和结缔组织。,21,.,22,.,受精后胚胎的早期发育主要包括卵裂、胚泡形成和宫内植入3个阶段。,23,.,24,13.2.2Celldifferentiation、Celldetermination,Celldifferentiation：是指同一来源的细胞逐渐发生各自特有的形态结构，生理功能和生化特征的过程。特点：分化细胞彼此之间在形态、结构、功能方面的不同是由于其拥有不同的蛋白质所致。虽然细胞分化是一种相对稳定和持久的过程,但是在一定的条件下,细胞分化又是可逆的。Celldetermination:细胞在发生可识别的形态变化之前,就已受到约束而向着特定方向分化,这时细胞内部已发生变化,确定了未来的发育命运。细胞决定可看作分化潜能逐渐限制的过程,决定先于分化。,.,1细胞质对细胞分化的诱导,卵裂时,细胞核内的物质,包括基因组都平均地分配到子细胞内,所以子细胞内的遗传物质是相同的。但是,卵细胞质各区域的组分并不相同。卵裂使不同的胞质组分分割进入各卵裂细胞。这些特殊细胞质组分称为细胞质决定子(cytoplasmicdeterminants)。细胞质决定子在卵母细胞中已然形成,受精卵在数次卵裂中,决定子一次次地重新改组、分配。卵裂后,决定子的位置固定下来,并分配到不同的细胞中,影响着细胞分化。胞质对性细胞的分化亦起重要作用。如双翅目昆虫的受精卵后端有一部分称为极质(poleplasm)。极质中含有膜包起的颗粒状物质,称为极粒(polargranule)。当核进入极质后,极粒围绕在核周围,诱导极细胞分化为生殖细胞。因此,生殖细胞的分化决定于细胞质中的极质。,25,.,2细胞的相互作用对细胞分化的诱导,动物在一定的胚胎发育时期,一部分细胞影响相邻细胞使其向一定方向分化的作用称为胚胎诱导(embryonicinduction),或称为分化诱导。如将正常的能够发育成神经组织的细胞从两栖类原肠期的早期胚胎中切下，然后移植到另一个胚胎的可以发育成表皮的区域中，结果，移植来的细胞发育成了表皮而不是神经细胞。同样，将可以分化发育成表皮组织的细胞移植到能够发育成神经组织的胚胎中，移植的细胞发育成了神经细胞。条件的不同对细胞分化能力的改变有一定的限制。如果用晚原肠期（大约2天后）的细胞进行上述相同的实验，其结果完全不同：将神经组织的细胞放在胚胎的能够发育成表皮组织的部位将不会发育成表皮，而是神经细胞，反之亦然。胚胎诱导一般发生在内胚层和中胚层或外胚层和中胚层之间。从诱导的层次上看,分为三级,即初级诱导、二级诱导和三级诱导。能够诱导新胚胎形成的现象称为初级胚胎诱导（primaryembryonicinduction）。分化诱导现象也见于生长发育的其他阶段中，如成体动物中胚层来源的间充质细胞对外胚层来源的许多组织细胞的诱导作用，这种诱导对这些细胞的维持、生长和分化是必不可少的。细胞诱导的机制涉及细胞与细胞的接触、细胞基质的接触、信号分子的扩散等，可能是通过某些化学诱导物实现的。诱导物从诱导组织进入反应组织引发诱导。这些诱导物可能是大分子的蛋白质或核酸类,也可能是小分子或信号分子,其确切性质还有待于进一步研究。另外,细胞外基质在细胞诱导中可能有重要作用。,26,.,27,位置信息在胎细胞分化中的作用,极性激活区,前端,后端,.,3形态建成（morphogenesis）,胚胎发育不仅需要将分裂产生的细胞分化成具有不同功能的特异的细胞类型，同时，要将一些细胞组成功能和形态不同的组织和器官，最后形成一个具有表型特征个体，这一过程称为形态建成。位置信息(positionalinformation)：不断分裂和移动中的细胞通过感知自己的瞬间空间位置并依此决定分化方向或调整移动路径，此即位置信息对发育分化的影响。形态发生素(morphogen)假说：细胞如何得知已经迁至适当位置并应该开始参与形成不同的组织和器官?有人提出形态发生素假说来解释处于胚胎不同部位的细胞在发育过程的形态建成行为：胚胎发生素在胚胎的特定部位合成和分泌，然后扩散到周围组织，形成一种浓度递减的梯度。细胞通过适当的受体“感知”自身部位的形态发生素的浓度，细胞就可以估测自己离形态发生素产生源有多远，并决定分化的方向。实际上，形态发生素假说强调的就是位置信息对形态建成的影响。科学家通过对鸡的肢芽（limbbuds）发育的研究，肯定了位置信息在形态建成中的作用。,28,.,29,13.2.3影响分化的其它因素,细胞黏着分子在胚胎发育中的作用神经细胞粘合分子(N-CAM)和肝细胞粘合分子(L-CAM)的表达调节在神经外胚层与相邻组织的分离有关。,激素和细胞因子的作用激素对细胞分化的影响是远距离细胞间的相互作用，这种作用出现在发育的晚期,激素引起的反应是按预先决定的分化程序进行的,其作用主要是引起靶细胞进行分化。,.,30,位置信息在胚胎细胞分化中的作用,在特化区域中,细胞生长在空间上的局限性对形态发生具有重要作用，可使特化的组织器官保持一定大小形态和空间位置。位置信息就是使细胞能正确地按发育指令进行形态建成。,分化抑制：在细胞分化和胚胎发育过程中,细胞之间除了有胚胎诱导外,还存在相互抑制分化的作用。分化完成的细胞可以产生抑素。例如，把一个正在发育的蛙胚放到含有一片成体娃心组织的培养液中培养,胚胎不能发育出正常的心脏。若没有这片蛙心,胚胎就可以正常发育,.,31,13.2.4细胞分化中的核质关系,I细胞质对细胞核的影响,细胞质决定子在细胞决定中的作用从受精卵第一次卵裂开始,细胞核就受到内环境(卵细胞质)的影响。这些特殊细胞质组分称为细胞质决定子(cytoplasmicdeterminant)。决定子支配着细胞分化的途径。受精卵在数次卵裂中,决定子一次次地被重新改组、分配。卵裂后，决定子的位置固定下来，并分配到不同的细胞中,子细胞便产生差别。,.,32,当鸡的红细胞与培养的人Hela细胞(癌细胞)融合后,核的体积增大20倍，染色质松散，出现RNA和DNA合成，鸡红细胞核的重新激活是由于Hela细胞的细胞质调节的结果；将培养的爪蟾肾细胞核注入蝾螈的卵母细胞内，分析蛋白质合成情况发现，原来在肾细胞中表达的基因，这时不表达,而原来不表达的基因，这时却被激活。,.,33,伞藻实验,II细胞核对细胞质的作用,.,34,13.2.5转决定、脱分化与再生,Transdetermination(转决定)，一般胚胎细胞一旦决定,沿着特定类型进行分化的方向是稳定的.在果蝇中发现了某种突变体或培养的成虫盘细胞中有时会出现不按已决定的分化类型发育,而生长出不是相应的成体结构,这种现象叫转决定。如：触角成虫盘细胞变成翅或腿这是由于成虫盘细胞发生了转决定,改变分化方向的结果。转决定同基因突变不同,它是一群细胞而不是单一细胞发生变化。,.,35,Totopotency（全能性）：是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。,.,36,Dedifferentiation(脱分化),又称去分化,分化细胞失去了特有的结构和功能变为具有未分化细胞特性的过程.,生物体的整体或器官受外力作用发生创伤而部分丢失,在剩余部分的基础上又生长出与丢失部分在形态与功能上相同的结构,这一修复过程称为再生。再分化是再生的基础,在再生过程中,有些细胞首先要发生去分化,然后发生再分化,形成失去的器官或组织。干细胞的增殖对衰老细胞的更新，不属于再生范畴,Regeneration(再生),.,37,13.3.细胞分化的分子基础,House-keepinggene(持家基因)维持细胞最低限度功能所不可少的基因,如编码组蛋白基因、编码核糖体蛋白基因、线粒体蛋白基因、糖酵解酶的基因等。Tissue-specificgene(组织特异性表达基因)又叫奢侈基因，这类基因与各类细胞的特殊性有直接的关系,是在各种组织中进行不同的选择性表达的基因。细胞分化主要是奢侈基因中某种(或某些)特定基因的选择性表达的结果。,13.3Molecularbasisofcelldifferentiation,.,38,基因的选择性表达,.,39,13.3.2真核生物基因表达的调控,1）genomiccontrol基因组控制DNA水平的调控,DNAmethylation：在甲基转移酶的催化下，DNA的CG两个核苷酸的胞嘧啶被选择性地添加甲基，形成5-甲基胞嘧啶。确切的机理不清楚，推测甲基化可促使染色质凝集，这样，DNA转录因子和RNA聚合酶就不能够与DNA结合。DNArearrangementDNA重排：DNA片段在基因组中位置变化，即从一个位置变换到另一个位置。如：抗体基因的重排。,.,40,甲基化作用与基因活性调节,.,41,2）转录水平的调控,转录过程包括转录的起始,延伸和终止。这一过程的调控最为复杂,主要通过对转录起始的控制，包括转录因子的结合、RNA聚合酶的选择等。,.,结果：来自肝细胞的核RNA能够与肝细胞特异的探针杂交，而来自脑细胞的核RNA则不能与肝细胞特异的探针杂交.表明：在这两种组织中进行了不同基因的差别转录。,真核生物基因表达的转录控制的实验证据,(a)分离肝细胞和脑细胞的mRNA,然后将在两种类型细胞中都出现的mRNA选择性的剔除，再将肝细胞特异的mRNA制备成肝组织特异的探针。用肝细胞特异的探针对肝细胞核RNA(b)和脑细胞核RNA(c)进行杂交检测。,42,.,43,一类控制动物体态形成的基因，如果此类基因发生了突变，就会在胚胎发育过程中导致某一器官异位生长，即本来应该形成的正常结构被其他器官取代,果蝇的同源异型基因Antp（触角基因）突变，导致果蝇的一对触角被两条腿所取代,homeoticgene同源异型基因：,左、正常果蝇的触角为具芒触角，右、突变果蝇的触角发育为足引自LehningerPrinciplesofBiochemistry3rded.,.,44,homeobox同源异形框,在目前已知的300多个同形异位基因中，都存在一个高度保守的同源区域，长180bp，编码60个氢基酸。同源框的蛋白产物呈螺旋-转角-螺旋的立体构型,.,45,Bithoraxmutant,果蝇的双胸突变（两节中胸，没有后胸，因而没有平衡棒）,.,46,3）转录后加工的调控,转录后加工、降解调节简单的转录本的加工：主要是切除内含子。内含子的切除按“GU-AG”规则，即内含子的切除总是在5端以GU开始,在3端以AG结束。复杂的转录本的加工：这种加工的hnRNA属于基因全长转录，经不同剪接产生不同的成熟mRNA,表达不同的产物。,.,47,大鼠原肌球蛋白基因：编码7种组织特异性的蛋白-原肌球蛋白,.,48,4）翻译水平的调控,包括:控制蛋白质的合成速度mRNA稳定性的控制翻译起始的控制,MaskedmRNA(隐蔽mRNA)的激活:多数mRNA在卵细胞中处于非活性状态,受精作用激活了这些卵细胞贮存的mRNA,使受精卵的发育在翻译水平上受到调节。,.,蛋白质合成速度的控制,血红素：珠蛋白：HCI蛋白：血红素控制的抑制剂，它根据血红素的量来调节蛋白质的合成血红素与HCI结合，使HCI失去活性；当细胞缺乏血红素时，HCI具有活性；激活的HCI可作为一种蛋白激酶，催化elF2磷酸化。eIF2是一种关键的翻译起始因子，磷酸化的eIF2被失活，细胞内珠蛋白mRNA的翻译都被抑制当有血红素时，珠蛋白的合成得以进行。,发育的红细胞中血红素对翻译的调控作用,49,.,50,铁蛋白的翻译调控特异性控制某一基因表达,阻遏蛋白：铁离子结合位点和IRE结合位点。当这种阻遏蛋白不同铁结合时，同mRNA的IRE结合，阻止了铁蛋白mRNA的翻译；细胞中的铁浓度升高对细胞产生危害时，游离铁同阻遏蛋白结合，并使阻遏蛋白失活，从而使铁蛋白mRNA得以翻译。,铁蛋白：螯合细胞质中的游离铁原子。IRE：iron-responseelement，铁反应元件,.,51,5）翻译后加工的控制,在真核生物中许多激素的合成都是以一个共同的前体合成的，称为聚蛋白，然后切割成不同的蛋白质。但是在不同的组织中，切割的方式是不同的，因此相同的基因在不同的组织中合成不同的激素蛋白。,.,52,POMC阿黑皮素原,N端片段,促肾上腺素,促脂解素,大鼠脑垂体前叶,脑垂体中叶,.,53,13.3.3果蝇发育的调控,三类基因控制着果蝇的发育1)母体基因(maternalgene)mRNA翻译合成的蛋白在早期胚胎发育过程中调节合子基因的转录，决定果蝇的极性，即果蝇的头部、尾部、背部-腹部的轴。2)合子基因(zygoticgenes)这些基