细胞分化是发育建立的基础

1、14.1 多细胞生物细胞分化建立的条件多细胞生物细胞分化建立的条件 n多细胞生物细胞分化的多细胞生物细胞分化的3个重要条件：个重要条件： n1.携带有丰富的遗传信息以及他们具有复杂的携带有丰富的遗传信息以及他们具有复杂的 表达调控机制是细胞分化建立的前提。表达调控机制是细胞分化建立的前提。 n2.细胞间的复杂信号系统的存在及由此引导的细胞间的复杂信号系统的存在及由此引导的 细胞间的相互作用是多细胞生物细胞分化得以细胞间的相互作用是多细胞生物细胞分化得以 实施的重要条件。实施的重要条件。 n3.细胞间质是细胞分化的依托并为之提供了必细胞间质是细胞分化的依托并为之提供了必 要的微环境。要的微环境。

2、 14.1.1 细胞分化的遗传信息以及它们的表达细胞分化的遗传信息以及它们的表达 n1.基因组是细胞分化遗传信息最重要的载体基因组是细胞分化遗传信息最重要的载体 n细胞的分化是通过严格、精密调控遗传信息的表细胞的分化是通过严格、精密调控遗传信息的表 达来实现的，而基因组是这一信息的最重要的载达来实现的，而基因组是这一信息的最重要的载 体。体。 n三大类基因：三大类基因： n1.管家基因管家基因 n2.调节基因调节基因 n3.组织专一性基因组织专一性基因 n1.染色体的火化或者基因染色体的火化或者基因DNA序列重组影响细序列重组影响细 胞的分化。胞的分化。 n小鼠毛色的基因位于小鼠毛色的基因位于

3、X染色体上。染色体上。 n基因转录水平上的调节基因转录水平上的调节 nmRNA的加工的加工 n翻译水平的调节翻译水平的调节 n转译后肽链的加工与修饰转译后肽链的加工与修饰 2.细胞质中含有影响分化的遗传因子细胞质中含有影响分化的遗传因子 14.1.2 信号系统与细胞分化信号系统与细胞分化 n多细胞生物有一套复杂的信号系统，大致可以多细胞生物有一套复杂的信号系统，大致可以 分为分为6类：类： n1. 个体间信息传递的外激素（性诱激素）个体间信息传递的外激素（性诱激素） n2. 神经递质操作的神经信号工作系统。神经递质操作的神经信号工作系统。 n3.旁泌素旁泌素 n4.内分泌激素内分泌激素 n5.

4、神经肽信号类神经肽信号类 n6细胞间直接接触的信号系统。细胞间直接接触的信号系统。 生物信号系统的作用机制 n1.信号分子由分泌细胞产生，它可以扩散或远信号分子由分泌细胞产生，它可以扩散或远 程运输的方式到达靶细胞，也可以固着在分泌程运输的方式到达靶细胞，也可以固着在分泌 细胞的表面，通过细胞间的接触作用于靶细胞。细胞的表面，通过细胞间的接触作用于靶细胞。 n2.信号分子效应于靶细胞可以通过靶细胞表面信号分子效应于靶细胞可以通过靶细胞表面 受体识别，再转化成细胞内的第二信号系统实受体识别，再转化成细胞内的第二信号系统实 现对靶细胞的分化诱导，也可以穿膜直接进入现对靶细胞的分化诱导，也可以穿膜直

5、接进入 靶细胞的细胞质或细胞核内施展其功效。靶细胞的细胞质或细胞核内施展其功效。 n近年的研究表明，细胞分化是信号分子通过组近年的研究表明，细胞分化是信号分子通过组 合调控的方式来实现的，细胞往往是通过多因合调控的方式来实现的，细胞往往是通过多因 子调控完成，而调控因子的不同配伍与工作顺子调控完成，而调控因子的不同配伍与工作顺 序的改变会产生完全不同的细胞分化效果。序的改变会产生完全不同的细胞分化效果。 n1.组合调控使有限因子控制的细胞分化的种类组合调控使有限因子控制的细胞分化的种类 数大大增加了。数大大增加了。 n2.细胞可能因为简单的调控因子的更改而发生细胞可能因为简单的调控因子的更改而

6、发生 分化方向的改变，从而大大提高了细胞分化的分化方向的改变，从而大大提高了细胞分化的 灵活性。灵活性。 14.2.1 旁泌素（旁泌素（GDF） n有称为生长分化因子，通常是蛋白质成分，主要由有称为生长分化因子，通常是蛋白质成分，主要由 诱导细胞产生，通过扩散的方式到达相邻的靶细胞。诱导细胞产生，通过扩散的方式到达相邻的靶细胞。 n分为四个家族：分为四个家族： n1.纤维母细胞生长因子家族纤维母细胞生长因子家族 n2.Hedgehog家族家族 n3.Wnt家族家族 n4.TGF-超家族超家族 n5.Juxtacrine信号信号 1.纤维母细胞生长因子家族（纤维母细胞生长因子家族（FGF） n包

7、括包括9个结构密切相关的成员，对应于个结构密切相关的成员，对应于9个基因，个基因， 而每一个基因在不同的组织中因其表达过程中而每一个基因在不同的组织中因其表达过程中 采用的起始密码或者采用的起始密码或者mRNA成熟发育中剪切方成熟发育中剪切方 式不同，会产生不同的产物。式不同，会产生不同的产物。 n靶细胞受体是络氨酸激酶靶细胞受体是络氨酸激酶 n功能：功能：FGF2与循环系统的发生有密切关系；与循环系统的发生有密切关系； 体节形成和椎骨发育。体节形成和椎骨发育。 2.Hedgehog家族家族 n以果蝇研究为主，其蛋白产物在果蝇的正常发以果蝇研究为主，其蛋白产物在果蝇的正常发 育中起着重要的作用

8、。育中起着重要的作用。 n在脊椎动物中发现三个同源基因，分别为：在脊椎动物中发现三个同源基因，分别为： sonic hedgehog(Shh)，负责诱导神经底板负责诱导神经底板 细胞、运动神经的分化体节中骨骼肌节的发生，细胞、运动神经的分化体节中骨骼肌节的发生， 胚胎左右体轴的形成，肢体前后轴的分化，肠胚胎左右体轴的形成，肢体前后轴的分化，肠 道极性结构的出现。道极性结构的出现。 ndesert hedgehog (dhh)，精子的发生精子的发生 nindian hedgehog (ihh)，特异表达在肠和软特异表达在肠和软 骨中。骨中。 Wnt家族家族 n脊椎动物中，脊椎动物中，Wnt家族起

9、码包括家族起码包括15个成员，富含半胱氨个成员，富含半胱氨 酸的糖蛋白。酸的糖蛋白。 n功能：功能：参与肌节和中脑的发育，体轴的决定。参与肌节和中脑的发育，体轴的决定。- 连环连环 蛋白调节的典型蛋白调节的典型Wnt信号参与前后轴的形成信号参与前后轴的形成 - 连环蛋白敲除的胚胎，连环蛋白敲除的胚胎， 可发生细胞的错误定位，从可发生细胞的错误定位，从 而不能形成中胚层。而不能形成中胚层。 抑制抑制Wnt信号是脊椎动物体廓形成后期阶段的关键因素。信号是脊椎动物体廓形成后期阶段的关键因素。 Wnt拮抗分子能诱导头的形成。拮抗分子能诱导头的形成。 TGF-超家族超家族 n由一类结构、功能相关的多肽生

10、长因子由一类结构、功能相关的多肽生长因子 亚家族组亚家族组 成，其中包括成，其中包括TGF-、活化素、骨形态发生蛋白、活化素、骨形态发生蛋白 (BMP)、生长分化因子、生长分化因子( GDF)等。等。 nTGF-除了影响细胞的增殖、分化，还在胚胎发育、除了影响细胞的增殖、分化，还在胚胎发育、 胞外基质形成、骨的形成和重建等方面起着重要作胞外基质形成、骨的形成和重建等方面起着重要作 用。用。 nTGF-家族成员广泛存在于从果蝇到人多种生物的家族成员广泛存在于从果蝇到人多种生物的 各种组织中，对正常细胞、癌变细胞都有着显著作各种组织中，对正常细胞、癌变细胞都有着显著作 用。用。 nTGF-超基因家

11、族成员共同的特征超基因家族成员共同的特征: ( 1) N - 端有端有1 段信号肽序列段信号肽序列, 可借以跨过内质网可借以跨过内质网; (2) 紧挨着生物紧挨着生物 活性区有由活性区有由4个氨基酸个氨基酸(RSRR) 组成的蛋白酶加工组成的蛋白酶加工 位点位点; (3) C - 末端包含末端包含9个保守的半胱氨酸的生物个保守的半胱氨酸的生物 活性区活性区, 靠分子间的二硫键形成二聚体。但是不同靠分子间的二硫键形成二聚体。但是不同 的鱼的鱼, 肌肉生长抑制素的基因结构略有区别。肌肉生长抑制素的基因结构略有区别。 5. Juxtacrine信号信号 n是细胞间以直接接触的方式传递信号的工作系统。

12、是细胞间以直接接触的方式传递信号的工作系统。 14.2.2 近端诱导细胞分化的主要特征近端诱导细胞分化的主要特征 n近端诱导是动物发育中广泛存在的一种细胞分化近端诱导是动物发育中广泛存在的一种细胞分化 模式。模式。 n在近端诱导中，诱导细胞产生和分泌旁泌素，并在近端诱导中，诱导细胞产生和分泌旁泌素，并 通过分子扩散的方式将信息传达给临近的细胞并通过分子扩散的方式将信息传达给临近的细胞并 引发其分化。引发其分化。 n皮肤是由真皮和表皮组成的，来自于不同的胚层。皮肤是由真皮和表皮组成的，来自于不同的胚层。 它们在形成过程中相互诱导分化。它们在形成过程中相互诱导分化。 n蛙的视泡与外胚层上皮相互诱导

13、。蛙的视泡与外胚层上皮相互诱导。 n1.近端诱导过程中普遍存在互为诱导近端诱导过程中普遍存在互为诱导 n 和被诱导者的现象。和被诱导者的现象。 2.近端诱导的区域特异化和它的遗传近端诱导的区域特异化和它的遗传 根据。根据。 n在相互诱导的过程中，其中一方占据主导的地在相互诱导的过程中，其中一方占据主导的地 位。位。 n在皮肤的真皮与表皮的相互诱导过程中，一旦在皮肤的真皮与表皮的相互诱导过程中，一旦 真皮的组织建立后，就会在诱导过程中占据主真皮的组织建立后，就会在诱导过程中占据主 要地位。要地位。 3.近端诱导可以是群体细胞参与的行为也可近端诱导可以是群体细胞参与的行为也可 以精确到单个细胞的水

14、平以精确到单个细胞的水平 n近端诱导的精确度，可以是群体细胞水平也可近端诱导的精确度，可以是群体细胞水平也可 以是单细胞水平。以是单细胞水平。 n免疫系统中，免疫系统中，B淋巴细胞受到异体抗原的作用淋巴细胞受到异体抗原的作用 而获得接受而获得接受T帮助细胞旁泌素诱导的能力，诱帮助细胞旁泌素诱导的能力，诱 发一系列反应。发一系列反应。 n果蝇的发育也是近端诱导到单细胞的例子。果蝇的发育也是近端诱导到单细胞的例子。 线虫发育的产卵器前体细胞（线虫发育的产卵器前体细胞（VPC） n锚细胞分泌一种类上皮生长因子锚细胞分泌一种类上皮生长因子LIN-3蛋白，蛋白， 它被它被VPC上的上的LET-23受体识

15、别，并经过受体识别，并经过Ras- MAP激酶的途径将信号传入细胞核，进而调激酶的途径将信号传入细胞核，进而调 控细胞的分化。控细胞的分化。 nVPC诱导分化的机制假设：诱导分化的机制假设：1.VPC3种细胞的种细胞的 分化来自分化来自LIN-3蛋白的浓度梯度，蛋白的浓度梯度，2.LIN-3蛋白蛋白 仅作用于直接下方的细胞，使之分化为中央仅作用于直接下方的细胞，使之分化为中央 VPC-接着再诱导两侧细胞的分化，接着再诱导两侧细胞的分化，3.6个个VPC 接受的分化信号并不相同，而应答能力也不相接受的分化信号并不相同，而应答能力也不相 同。同。 4.细胞间质对近端诱导的实现发挥重要的作用细胞间质

16、对近端诱导的实现发挥重要的作用 14.3 细胞分化的远程控制细胞分化的远程控制 n14.3.1 激素激素 14.3 2 远程控制细胞分化的主要特征远程控制细胞分化的主要特征 n1.激素在远程控制细胞分化中的多效能性。激素在远程控制细胞分化中的多效能性。 n甲状腺素对蝌蚪的变态有重要的影响。昆虫的变态甲状腺素对蝌蚪的变态有重要的影响。昆虫的变态 来自于蜕皮素。来自于蜕皮素。 n研究表明由激素诱导的远程控制细胞分化具有同一研究表明由激素诱导的远程控制细胞分化具有同一 激素可作用于不同的靶细胞，并诱发不同的靶细胞，激素可作用于不同的靶细胞，并诱发不同的靶细胞， 而产生不同的分化和发育。而产生不同的分

17、化和发育。 n生物是如何实现不同发育内容的区分和相互间的协生物是如何实现不同发育内容的区分和相互间的协 调？实验表明不同的组织对同种激素的效应作用存调？实验表明不同的组织对同种激素的效应作用存 在浓度依赖现象，从而具有正确的时空效应。在浓度依赖现象，从而具有正确的时空效应。 2.对激素的特异应答决定于靶细胞对激素的特异应答决定于靶细胞 n在发育中如何确定激素对靶细胞的选择？研究在发育中如何确定激素对靶细胞的选择？研究 表明对激素的特异应答来自于靶细胞本身。表明对激素的特异应答来自于靶细胞本身。 n通过对蝌蚪的移植试验表明，蝌蚪躯干与尾部通过对蝌蚪的移植试验表明，蝌蚪躯干与尾部 的间质组织对甲状

18、腺素的应答能力是不一样的，的间质组织对甲状腺素的应答能力是不一样的， 并进而通过近端诱导的方式影响于周边组织。并进而通过近端诱导的方式影响于周边组织。 3.激素对细胞的分化诱导过程存在有靶组织细胞受激素对细胞的分化诱导过程存在有靶组织细胞受 体表达的反馈调节机制体表达的反馈调节机制 n在蛙的变态过程中，靶细胞对甲状腺素发生应答在蛙的变态过程中，靶细胞对甲状腺素发生应答 的最初成分是甲状腺受体（的最初成分是甲状腺受体（TR）。）。 nTR属于基因转录调节因子中的甾醇激素受体超家属于基因转录调节因子中的甾醇激素受体超家 族成员，包括族成员，包括TRa，TR两种类型。封闭其表达，两种类型。封闭其表达

19、， 也就封闭了甲状腺素的生物学功能。也就封闭了甲状腺素的生物学功能。 n甲状腺素受体浓度的提高引发靶细胞甲状腺素受体浓度的提高引发靶细胞TR含量的增含量的增 加以及其他相关因子的表达和活化，并进一步促加以及其他相关因子的表达和活化，并进一步促 使使TR表达的加强，提高靶细胞对表达的加强，提高靶细胞对T3的应答灵敏度。的应答灵敏度。 4.远程控制分化过程需与近端诱导协同工作远程控制分化过程需与近端诱导协同工作 n远程调控可以启动特定部位细胞和组织成分的远程调控可以启动特定部位细胞和组织成分的 分化，但是这一分化的完成必须要近端诱导的分化，但是这一分化的完成必须要近端诱导的 协同工作。协同工作。

20、n如两栖类动物的尾巴的退化过程。如两栖类动物的尾巴的退化过程。 n哺乳动物乳腺的发育受到两种类型的调控。哺乳动物乳腺的发育受到两种类型的调控。 5.远程控制分化在发育程序中具有运作上的独立性远程控制分化在发育程序中具有运作上的独立性 n第一，在试验或者自然的条件下，由于激素表第一，在试验或者自然的条件下，由于激素表 达的变更或者异常，生物个体可能出现发育程达的变更或者异常，生物个体可能出现发育程 序的移位现象，而仍维持发育的进行和生物体序的移位现象，而仍维持发育的进行和生物体 的正常生存。的正常生存。 n第二，尽管远程控制分化在动物的发育过程中第二，尽管远程控制分化在动物的发育过程中 普遍存在

21、，并遵循着基本共同的分化诱导机制，普遍存在，并遵循着基本共同的分化诱导机制， 但是有他们指导的发育表现形式又很可能不同。但是有他们指导的发育表现形式又很可能不同。 14.4 发育过程中细胞分化的类型 n发育过程中的细胞分化有发育过程中的细胞分化有4种基本类型：种基本类型： n1.空间区域性分化空间区域性分化 n2.细胞性分化细胞性分化 n3.时相性分化时相性分化 n4.细胞水平的性别分化细胞水平的性别分化 1.细胞的空间区域分化 n同一个区域内的不同细胞在后继的发育中可能同一个区域内的不同细胞在后继的发育中可能 有完全不同的命运，而不同区域内的细胞也会有完全不同的命运，而不同区域内的细胞也会

22、在后继的发育中有相同的命运。经过这一分化在后继的发育中有相同的命运。经过这一分化 过程后，这些细胞都会被限定在不同的模块中，过程后，这些细胞都会被限定在不同的模块中， 而形成一个相对独立的发育环境。而形成一个相对独立的发育环境。 n空间区域性的分化决定与它在胚胎中的位置有空间区域性的分化决定与它在胚胎中的位置有 密切的关系，有强烈的空间效应。密切的关系，有强烈的空间效应。 2.细胞性分化 n主要指细胞在发育过程中产生功能、结构上的主要指细胞在发育过程中产生功能、结构上的 专一化。有两个中要特点：专一化。有两个中要特点： n1、这一分化往往出现在发育的后期并有明显、这一分化往往出现在发育的后期并

23、有明显 的终末期。的终末期。 n2.细胞性分化产生的细胞种类数很大。细胞性分化产生的细胞种类数很大。 3.细胞的时相性分化 n细胞的分化可以随着时间或阶段的改变而改变。细胞的分化可以随着时间或阶段的改变而改变。 n同种类的细胞在不同的阶段表达不同的基因，同种类的细胞在不同的阶段表达不同的基因， 出现细胞结构和功能的相互转化。出现细胞结构和功能的相互转化。 4.细胞水平的性别分化 n生殖细胞的分化。生殖细胞的分化。 n在进化上来看，单细胞生物中同样存在细胞的在进化上来看，单细胞生物中同样存在细胞的 性别现象，这种分化应该早于多细胞生物的建性别现象，这种分化应该早于多细胞生物的建 立。立。 n在多

24、细胞生物种，每一个个体只能产生一种性在多细胞生物种，每一个个体只能产生一种性 别的生殖细胞。别的生殖细胞。 n对于雌雄同体的生物，这一分化具有显著的区对于雌雄同体的生物，这一分化具有显著的区 域决定或者发育顺序更替的性质。域决定或者发育顺序更替的性质。 14.5 细胞系与干细胞 n细胞系：发育过程中存在的分化细胞间的谱系细胞系：发育过程中存在的分化细胞间的谱系 关系，以分化递进和分支的方式联系在一起，关系，以分化递进和分支的方式联系在一起， 形成一个有方向、层次的路径结构。形成一个有方向、层次的路径结构。 干细胞干细胞 n在发育的过程中，在发育的过程中， 存在一些特殊类型存在一些特殊类型 的细

25、胞，他们具有的细胞，他们具有 自我复制，并有时自我复制，并有时 总领一个大的后继总领一个大的后继 分化类群的细胞。分化类群的细胞。 n如生殖干细胞如生殖干细胞 n 造血干细胞造血干细胞 14.6 细胞调亡与发育细胞调亡与发育 n细胞凋亡可以看作是发育过程中编程性的细胞细胞凋亡可以看作是发育过程中编程性的细胞 死亡过程，是一种特殊形式的细胞分化。死亡过程，是一种特殊形式的细胞分化。 n小鼠的胚胎发育过程，从实心细胞团到空心的小鼠的胚胎发育过程，从实心细胞团到空心的 囊胚。囊胚。 n神经管的发育过程中，一种是片状神经板通过神经管的发育过程中，一种是片状神经板通过 卷曲合拢形成管状，另一种是实体的条

26、索状上卷曲合拢形成管状，另一种是实体的条索状上 皮组织通过髓部细胞的凋亡形成中空的管腔。皮组织通过髓部细胞的凋亡形成中空的管腔。 n趾的形成。趾的形成。 14.7 发育中的细胞分化决定与细胞核在发育中的编发育中的细胞分化决定与细胞核在发育中的编 程现象程现象 n发育中细胞的分化可以启动于细胞分裂过程中发育中细胞的分化可以启动于细胞分裂过程中 胞质成分的不均等分配，也可以来自于细胞外胞质成分的不均等分配，也可以来自于细胞外 因子的诱导和细胞间的相互作用。因子的诱导和细胞间的相互作用。 n动物卵细胞中普遍含有对未来发育和细胞分化动物卵细胞中普遍含有对未来发育和细胞分化 有重要作用的母体基因产物的储

27、备，这些成分有重要作用的母体基因产物的储备，这些成分 被随机的分配到不同的子细胞中而造成了不同被随机的分配到不同的子细胞中而造成了不同 的分化命运。的分化命运。 细胞核对分化的影响细胞核对分化的影响 n细胞核全能性表达程序的改变。细胞核全能性表达程序的改变。 n体细胞克隆。理论上来说所有的体细胞核在功体细胞克隆。理论上来说所有的体细胞核在功 能上都应该是等效的，用体细胞核替换受精卵能上都应该是等效的，用体细胞核替换受精卵 的合子都应该能正常的发育成为一个个体。的合子都应该能正常的发育成为一个个体。 n近年来的发育生物学研究指出，在发育中细胞近年来的发育生物学研究指出，在发育中细胞 核存在编程的

28、现象，当发育程序的改变时，会核存在编程的现象，当发育程序的改变时，会 出现细胞核的重编程。出现细胞核的重编程。 2.Hedgehog家族家族 n以果蝇研究为主，其蛋白产物在果蝇的正常发以果蝇研究为主，其蛋白产物在果蝇的正常发 育中起着重要的作用。育中起着重要的作用。 n在脊椎动物中发现三个同源基因，分别为：在脊椎动物中发现三个同源基因，分别为： sonic hedgehog(Shh)，负责诱导神经底板负责诱导神经底板 细胞、运动神经的分化体节中骨骼肌节的发生，细胞、运动神经的分化体节中骨骼肌节的发生， 胚胎左右体轴的形成，肢体前后轴的分化，肠胚胎左右体轴的形成，肢体前后轴的分化，肠 道极性结构的出现。道极性结构的出现。 ndesert h