第四版-第15章-细胞分化与胚胎发育

1、第15章 细胞分化与胚胎发育Main contentCell differentiationBasic conceptionCell tortipotencyStem cellThe facors affecting cell differentiationDevelopmental cell differentiationSection 1: cell differentiation脊椎动物细胞分化示意图一、Basic conception of cell differentiation/wikipedia/commons/3/3c/Stem_cells_diagram.pngCell di

2、fferentiation:The process of the cell from multicellular organism be able to differentiate into a specific cell type, in addtion, maitains its choice through many subsequent generations.在个体发育中，由一种相同的细胞类型经由细胞分裂后逐渐在形态，结构和功能上形成稳定性差异，产生不同细胞类群的过程称为细胞分化。（一）Cell differentiation results from gene differenti

3、al expression输卵管细胞成红细胞胰岛细胞输卵管细胞成红细胞胰岛细胞卵清蛋白基因探针 +-珠蛋白基因探针 +-+-胰岛素基因探针 +-+实验方法Southern杂交Northern杂交分子杂交技术检测基因及其mRNA 的表达（二）House keeping gene and tissue specific geneHouse keeping gene (管家基因)Expressed in all cells, their gene products are essential for cell metabolism.Replicated during the early S phas

4、e.RT-PCR of XRRA1 and a house-keeping gene G3PDH from HCT116 clones treated with X-radiation, various cancer and normal cells, and normal tissues/organs甘油醛-3-磷酸脱氢酶Tissue specific gene (组织特异性基因)Differential expressed in tissues thus keep their specific morphology, structure and function.Replicated du

5、ring the early S phase in the cell where the gene is expressed.Repliacted during the late S phase in the cell where the gene is not expressed.RT-PCR of XRRA1 and a house-keeping gene G3PDH from HCT116 clones treated with X-radiation, various cancer and normal cells, and normal tissues/organs（二）House

6、 keeping gene and tissue specific gene甘油醛-3-磷酸脱氢酶（三）Combinatorial gene control creates many different cell types in Eucaryotes （四）The single gene regulatory protein can trigger the formation of an entire organMyoD is a protein with a key role in regulating muscle differentiation. MyoD belongs to a f

7、amily of proteins known as myogenic regulatory factors (MRFs) sharing bHLH (basic helix loop helix) structures as transcription factors.（五）cell differentiation also be employed for the protozoan to adjust the environmenthttp:/19/Ch09/index_files/lifecycle.gifThe life cycle of the slime molds 黏菌繁殖过程示

8、意（六）TransdifferentiationTransdifferentialtion(转分化): 一种分化类型的细胞转变成另一种类型的分化细胞的现象称为转分化。 去分化： 分化细胞失去其特有结构与功能变成为未分化细胞细胞特征过程。再分化：未分化细胞重新特化过程。（七） Regeneration蝾螈肢体的切除再生Regeneration (再生） 广义再生涉及细胞，组织，器官以及个体水平。一般指生物体缺失部分后重建过程。 Main contentCell differentiationBasic conceptionCell tortipotencyStem cellThe facors

9、affecting cell differentiationDevelopmental cell differentiation 二, cell totipotencyCell totipotency: The cells capacity to form an entire organism. e.g.: Human development begins when a sperm fertilizes an egg and creates a single totipotent cell. In the first hours after fertilization, this cell d

10、ivides into identical totipotent cells. Approximately four days after fertilization and after several cycles of cell division, these totipotent cells begin to specialize. 细胞经分裂和分化后仍具有形成完整有机体的潜能或特性。Plant cell totipotencynucleus totipotency-爪蟾核移植实验全能性细胞核（totipotent nucleus）终末分化细胞的细胞核仍然具有全能性Nuclear tra

11、nsfer experiment证明细胞核的全能性nucleus totipotency- 哺乳动物体细胞核移植Main contentCell differentiationBasic conceptionCell tortipotencyStem cellThe facors affecting cell differentiationDevelopmental cell differentiation 三, Stem cellDefining properties:1, not terminally differentiated2, divide without limit3, its

12、two daughter cells with the choices to be remain stem cell or be terminal differentiated /?page_id=40Category of stem cellTotipotent stem cell Pluripotent stem cell Unipotent stem cell/bls/stemcells/types-of-stem-cells.shtmlDifferential potentialCategory of stem cellTotipotent stem cell (全能干细胞)： 具分化

13、产生三个胚层中的各种类型的细胞，能发育成胚盘组织，产生子代个体。 如哺乳动物全能干细胞：受精卵与卵裂早期细胞。Category of stem cellTortipotent stem cell Pluripotent stem cell Unipotent stem cell/bls/stemcells/types-of-stem-cells.shtmlDifferential potentialCategory of stem cellPluripotent stem cell (多能干细胞)： 在一定条件下，能分化产生3个胚层中的各种类型的细胞并形成器官的一类干细胞，如胚胎干细胞和生殖嵴

14、干细胞。Category of stem cellTortipotent stem cell Pluripotent stem cell Unipotent stem cell/bls/stemcells/types-of-stem-cells.shtmlDifferential potentialCategory of stem cellUnipotent stem cell (单能干细胞)： 能分化产生一种或几种类型的细胞。e.g. 神经干细胞神经元寡突胶质细胞星形胶质细胞Sources difference/bls/stemcells/types-of-stem-cells.shtmlC

15、ategory of stem cellEmbryonic Stem (ES) cell : 胚胎干细胞Adult Stem (AS) cell: 成体干细胞Embryonic Stem Cell人胚胎干细胞建系示意人胚胎干细胞定向诱导分化Embryonic Stem CellProducing stem cells from embryos and somatic cell nuclear transfer .au/nova/079/079print.htmsomatic cell nuclear transfer derived stem cell/bls/stemcells/types-

16、of-stem-cells.shtmlComparison of ESC and ASCInduced Pluripotent Stem Cell (iPS) Induced Pluripotent Stem Cell (iPS) /life-science/stem-cell-biology/ipsc.htmlOct4Sox2c-mycKLF4诱导多能干细胞：性质类似胚胎干细胞, 具多样分化潜能。Cell engineering生殖性克隆治疗性克隆再生医学组织工程Main contentCell differentiationBasic conceptionCell tortipotency

17、Stem cellThe facors affecting cell differentiationDevelopmental cell differentiation 四, the factors affecting cell differentiation/img/Epigenomics.png（一）Cytoplasm nonhomogeneity from the fertilized egg for cell differentiation 隐蔽mRNA决定子 （determinent） 果蝇卵在受精后2小时内只进行核分裂, 胞质不分裂，形成合胞体胚胎。随后核向卵边缘迁移，细胞的分化命

18、运决定于核迁入不同的细胞质区域。迁入卵后端生殖质（germplasm）中的最终分化为生殖细胞。 证明了果蝇卵细胞后端存在决定生殖细胞分化的细胞质成分即生殖质就是 种质细胞的决定子Figure 22-28a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)（二）extracellular signals for cell differentiation近端组织的相互作用（promixate tissue interaction）主要通过细胞旁分泌产生信号分子来实现胚胎诱导（embryonic induction）（三）cell- cell

19、 interaction and position effect位置效应（position effect）细胞所处的位置不同对细胞分化命运的影响位置信息（sonic hedgehog信号）在翅膀发育中的作用Cell determination: 一个细胞接受了指令，在发育中这一细胞及其子代细胞将区别于其他细胞而分化成某种特定细胞类型。（四）cell memory and determination果蝇幼虫成虫盘：一些未分化的细胞群，在幼虫变态过程中，不同的成 虫盘发育为成虫不同的器官。（四）cell memory and determination果蝇成虫盘细胞决定状态的移植实验成虫盘移植实验

20、（四）cell memory and determination（四）cell memory and determination细胞记忆正反馈途径（positive feedback loop），即细胞接受信号刺激后，激活转录调节因子， 该因子不仅诱导自身基因表达，还诱导其他组织特异性基因的表达染色体结构变化（DNA 与蛋白质 相互作用及其修饰）信息传到子代细胞（五）environment for sex determination环境因素对细胞分化可产生影响，并进而影响到生物个体发育通过细胞自身的遗传机构发挥作用Animal Reproduction Science, 1998, 53: 7

21、786Fig. 1. Temperature-dependent sex determination in the American alligator (Alligator mississippiensis), the red-eared slider turtle (Trachemys scripta elegans), and the alligator snapping turtle (Macroclemys temminckii). （六）chromatin change and gene rearrangement/content/figures/ar2594-3-l.jpg细胞分

22、化过程中，胞内染色体会部分丢失，如红细胞以及马蛔虫卵裂。基因重排是细胞分化一种特殊方式，在B淋巴细胞中，其DNA经历断裂丢失与重排进而利用有限基因资源表达极丰富抗体。Main contentCell differentiationBasic conceptionCell tortipotencyStem cellThe facors affecting cell differentiationDevelopmental cell differentiationSection 2：Developmental cell differention 一、 Germ cell differentiati

23、on BBA-Gene Regulatory Mechanisms, 2012, 1819(6): 616630Germ cell differentiation in mice 性细胞从体细胞中分化出来，被认为是后生动物起源的重要标志。高度分化的精子卵子一旦结合，所有既有分化标记会消失，成为新生命起点。性腺是一个极为特殊的器官大多数器官的发育进程，其细胞分化都仅有一个方向性腺的分化却具有两个截然不同的方向睾丸或卵巢性腺原基中每个细胞都具备这两种分化潜能，要么分化为睾丸细胞，要么分化为卵巢细胞/wp-content/uploads/2011/01/UROGEN.bmp性别分化实际上是性腺细胞的

24、分化哺乳动物Y染色体携带男性性别决定的关键基因：睾丸决定因子 只有一条X染色体没有Y染色体的人发育成女性 具有多个X染色体，同时具有Y染色体的个体发育成男性 在XX-XY嵌合体的性腺发育中，首先分化的是睾丸支持细胞， 该细胞核型是 XY。/?page_id=55An XX sex-reversed mouse (33.13) with SRY gene is phenotypically male这个基因它被发现于XY男性和极少的XX男性。通过分析XX男性和XY女性的DNA,睾丸决定基因被进一步缩小到Y染色体短臂上一个35kb碱基对的区域。Sry基因在XY小鼠性腺体细胞刚分化为sertoli

25、cell之前的体细胞中表达, 随后消失。转基因(SRY)小鼠实验：将Sry基因14kb区域取下，显微注射到刚受精的小鼠合子原核中(XX型)。注射过含有Sry序列的小鼠胚胎发育出睾丸、雄性的附属器官和阴茎。 但无法形成具功能的精子。睾丸决定因子：SRY: sex-determining region of the Y chromosome SRY 编码一个转录因子，通过调节下游基因的表达，引起前体细胞向睾丸支持细胞分化。在这个区域中发现一个男性特异的DNA序列， 编码223氨基酸的肽. 这个肽含有一个HMG (high mobility group) box的DNA结合域，它可诱导与它结合的DN

26、A区域发生弯曲。Figure 17.5 Developmental Biology ( Sinauer Associates,Inc. 2010)SRY: sex-determining region of the Y chromosome 原生殖细胞迁移性腺是生殖细胞发育场所。原生殖细胞（PGC）形成于胚胎发育早期，（人类第四周，小鼠受精后第7天），来自胚外中胚层的细胞首先聚集在尿囊和后肠的交界处，然后沿卵黄囊的尾部进入后肠向背部迁移，PGC在迁移过程中快速分裂。SRY与性腺细胞分化人类胚胎发育中，原生殖细胞到达生殖嵴在第六周，直到第七周，男女两性生殖嵴及其相关附属结构未有任何差别。SRY于

27、胚胎发育第41天表达，与原生殖细胞细胞到达生殖嵴一致。 Sox9：脊椎动物核心雄性决定因子 * 常染色体上的睾丸决定基因， 含HMG box的转录因子。* Sry在胚胎中，可能仅有几小时活性，但它的主要作用可能是激活Sox9.* 人(XX)有额外拷贝的SOX9基因发育为雄性，即使没有SRY基因存在。* 在小鼠中SOX9基因仅表达于雄性生殖嵴中。同时，它与Sry都表达于同样的生殖嵴细胞中，但其表达时间稍晚。* 敲除Sox9基因在XY小鼠性腺中的表达，发生性逆转。* Sox9转基因XX小鼠形成精巢，缺乏精子。SRY启动Sox9表达，开启保守精巢形成途径Figure 14.7 Development

28、al Biology ( Sinauer Associates,Inc. 2010) Sox9：脊椎动物核心雄性决定因子 Sox9基因在所有脊椎动物中表达。Sry基因似乎仅存在于哺乳动物中。Sox9才是脊椎动物中核心的雄性决定因子。 在哺乳动物中， Sry激活Sox9; 但在鸟类、两栖类、鱼类， 它似乎由Dmrt1的激活。 Sox9在sertoli前体细胞中的表达可受Sry和Sf1的共同调节。 SRY启动Sox9表达，开启保守精巢形成途径Figure 17.8 Developmental Biology ( Sinauer Associates,Inc. 2010) 结合自己的启动子，维持其表

29、达。 阻止-catenin诱导卵巢形成 结合许多精巢形成必须的基因上游调控元件，调节其表达。 结合AMH(anti-mullerian duct hormone)的启动子区，调节其表达 Sox9激活Fgf9的表达；而Fgf9又可维持 Sox9的转录，建立正反馈环路，驱动性腺发育。Sox9：保守的精巢形成途径的决定因子Figure 17.5 Developmental Biology ( Sinauer Associates,Inc. 2010)FGF9：* FGF9敲除小鼠，突变体均为雌性。* Sox9可激活FGF9表达。FGF功能： 可引起sertoli cell的前体细胞增殖、分化。 激活邻近中肾(mesonephros)的内皮细胞(endothelial cell)迁入XY性腺。这些细胞构成精巢的主要动脉并诱导sertoli cell前体形成睾丸索。Sox 9 持续表达