13章 细胞分化－杨

1、Cell Differentiation细胞分化2013-111How does the fertilized egg give rise to the adult body -Making Bodies From CellsHuman: 1014 cells, 200 cell typesStart with one zygote2Leaves are responsible for photosynthesis so their cells contain chloroplastsRoot cells do not perform photosynthesis so they do not

2、 contain chloroplasts分化是与功能相适应的神经细胞红细胞肌肉细胞上皮组织细胞Tissues, Organs and Systems细胞学说申明：一切细胞皆来自细胞。一个细胞分裂形成的两个子细胞含有相同的遗传物质。那么，这些细胞是如何变成互不相同的呢？Individual development: 就是一部细胞增殖与分化史。zygote embryo individual从受精卵形成胚胎，再由胚胎生长发育成个体的过程称为个体发育(individual development)。Cell proliferationCell differentiationCell Migrati

3、on, homingCellAging and death7Key Questions for CELL DIFFERENTIATION 细胞分化The concept （概念）Molecular basis （分子基础）Affect factors （影响因素）Related disease （相关疾病）20The concept of cell differentiationMarked by: stabilized Morphology / Structure / physiological Function细胞分化：由一个受精卵细胞经过增殖和分裂，产生在形态结构和生理功能上具有稳定性差

4、异的不同细胞类群的过程。Part I: Cell differentiation211. The destination of cell differentiation（分化的去向）Zygote (受精卵）1Cleavage (卵裂）2，4，8Blastula/Blastoderm （囊胚/胚盘）70-100Gastrula (原肠胚）-endoderm-mesoderm-ectoderm (内中外三胚层）2223Cell differentiations occur in Gastrula (原肠胚) Red blood cellswhite blood cellsPluripotent c

5、ells Multipotent cells specialized cells 造血系统25totipotent cells 2. Cell with potency of differentiation细胞分化的潜能随个体发育进程逐渐“缩窄”Unipotency 单能化细胞分化的一般规律：在胚胎发育过程中，细胞逐渐由“全能”到“多能”，最后向“单能”的趋向。 全能干细胞: 能发育成一个完整个体的全能细胞. 如人的16细胞以前. 干细胞根据分化潜能的不同, 分为三类.1968年美国生物学家戈登非洲爪蟾蝌蚪的肠上皮细胞核移植到蟾蜍的去核卵细胞中去,结果这种具有移植核的细胞可以发育成正常的蝌蚪，

6、进而变态成正常的蟾蜍。已分化动物细胞是否具有全能性？1958年，美国科学家斯图尔德用胡萝卜韧皮部细胞成功地培育出了一棵完整的植株。（2）植物细胞全能性实验实验证明：高度分化的植物细胞仍然具有发育成完整植株的潜能，即植物细胞具有全能性。 植物细胞全能性的应用：蝴蝶兰的大规模生产快速繁殖花卉、蔬菜You can cut a stem from some plants and plant it and it will grow into a new plantThe sheep star: Dolly（3）非洲爪蟾和“多利”的诞生证明:已分化的动物体细胞的细胞核具有全能性。为什么细胞核具有发育成完整

7、个体的潜能？但是目前为止,人们还没有成功地将单个已分化的动物体细胞培养成新的个体。细胞核中有遗传物质。长江女神 白鳍豚（水中大熊猫）丹顶鹤动物细胞核全能性的应用：用克隆技术拯救濒危动物 但是要注意,多能干细胞的多向分化是需要条件的!多能干细胞: 有多向分化潜能的干细胞. 如: 间充质干细胞, 造血干细胞. 多能细胞（pluripotent cell） ：具有发育成多种表型细胞的能力，如三胚层的细胞多能干细胞: 有多向分化潜能的干细胞. 如: 间充质干细胞, 造血干细胞. P88多能干细胞专能干细胞专能干细胞专能干细胞: 只能向一种或紧密相关的两种类型的细胞分化. 如:上皮细胞 肌细胞神经细胞上

8、皮基底干细胞 成肌干细胞神经元干细胞单能干细胞（ unipotency）：胚胎发育过程中逐渐由全能局限为多能，最后趋向于稳定的单能型方向转化，例如上皮组织干细胞。从全能性细胞到多能细胞到单能细胞，细胞的分化能力逐渐降低这种分化能力逐渐降低的现象，是细胞分化过程中的一个普遍的规律。因此，细胞发育被视为分化能力逐渐受限制的过程。Cell determination -细胞决定：在个体发育过程中，细胞在发生可识别的分化特征之前，就已经确定了未来的发育命运，只能向特定方向分化的状态。e.g. In general, this means that a cell determined to differ

9、entiate into a brain cell cannot be transformed into a skin cell. 414. Cell differentiation is chosen by cell determination (细胞分化的方向由细胞决定来选择)1）2）5. Features of cell differentiation 细胞分化的特点Persistence持久性maximum in the embryonic stage and lasts for whole life timeDirectional and heritable方向性和遗传性 one z

10、ygotemulticellular organismStable and irreversible稳定性和不可逆性Universal普遍性44Cell differentiationCell proliferation(division)Cell growth6. Cell differentiation, cell division and cell growthKey Questions for CELL DIFFERENTIATIONThe concept （概念）Molecular basis （分子基础）Affect factors （影响因素）Related disease （相

11、关疾病）46The zygote and terminal differentiated cells have the same genome.Different cell type in one organism:The same DNADifferent RNAsDifferent proteinsDifferentiation control GenomeThe nucleus has the potency to develop to whole organismThe nucleus contains whole set of genome information47Genome p

12、rofile基因组模式Not all genes in genome are expressedDifferent cell types expressed different genesTemporal and spatial expression profilesilenced genesExpressed genes48Molecular basis of cell differentiation基因选择性表达Gene differential expression(Alternative gene expression) 不同类型的细胞在发育过程中表达一套特异的基因，其产物不仅决定细胞

13、的形态结构，而且执行各自的生理功能。Genome profile基因组活动模式是细胞分化的基础2. The determinative factor of cell differentiation of cytoplasm细胞质中的分化决定因子3. The regulation at transcriptional level of gene selective expression 基因选择性表达的转录水平调控4. The role of microRNA on cell differentiation小RNA在细胞分化中的作用Molecular basis of cell differen

14、tiation49（1）Gene selective expression is the key point. 基因选择性表达是核心.(2). Gene inactivation 基因失活: X inactivation(3). Gene lost 遗传物质丢失(4). Gene amplification 基因扩增-mainly occurs in lower organisms(5). Gene rearrangement 基因重排1.Genome profile50细胞分化是基因选择性表达的结果Cell differentiation results from differential

15、gene expression（基因差异表达）. 在胚胎发育过程中，基因组的基因严格按照时空顺序相继活化，这一现象称为基因的差异表达(differential expression, sequential expression)。 House-keeping genes:管家基因 Expressed in all cell types, essential for all cellsLuxury genes:奢侈基因 Tissue-specific genes, expressed in special cells管家基因(house keeping gene)：维持细胞基本获得所必需的基因。

16、奢侈基因(luxury gene, tissue specific gene)：编码细胞特异性蛋白质，对细胞的生存无直接影响，但对细胞分化、决定细胞特异性方面起着重要。Southern 杂交Northern 杂交（1）Gene selective expression is the key point. 基因选择性表达是核心.(2). Gene inactivation 基因失活: X inactivation(3). Gene lost 遗传物质丢失(4). Gene amplification 基因扩增-mainly occurs in lower organisms(5). Gene r

17、earrangement 基因重排1.Genome profile5556X-inactivationEuchromatin heterochromatin(2). Gene inactivation 基因失活:（1）Gene selective expression is the key point. 基因选择性表达是核心.(2). Gene inactivation 基因失活: X inactivation(3). Gene lost 遗传物质丢失: Red blood cells(4). Gene amplification 基因扩增-mainly occurs in lower org

18、anisms(5). Gene rearrangement 基因重排1.Genome profile57（1）Gene selective expression is the key point. 基因选择性表达是核心.(2). Gene inactivation 基因失活: X inactivation(3). Gene lost 遗传物质丢失: Red blood cells(4). Gene amplification 基因扩增-mainly occurs in lower organisms(5). Gene rearrangement 基因重排: 某些基因片段改变原来存在的顺序，通过

19、调整有关基因片段的衔接顺序，重新排列为一个完整的转录单位。1.Genome profile 基因组活动模式是细胞分化的基础59Simplistic overview of V(D)J recombination of immunoglobulin heavy chains601. Genome profile基因组活动模式是细胞分化的基础2. Determinative factor of cytoplasm细胞质决定因子的影响 例： Maternal effect genes 母源效应基因，胚胎基因组激活之前,控制胚胎中母性产物表达的基因。-mRNAs stored in oocytes,

20、and translated to proteins after fertilization，e.g. 果蝇的BICOID蛋白3. The regulation at transcriptional level of gene selective expression 基因选择性表达的转录水平调控4. The role of microRNA on cell differentiation小RNA在细胞分化中的作用Part II: molecular basis of cell differentiation6162Protein and RNA are transported in part

21、icles (white dots) from the nurse cells (maternal) to the developing oocyte in Drosophila melanogaster.2. Maternal effect genes 母源效应基因胚胎基因组激活之前,控制胚胎中母性产物表达的基因。1. Genome profile基因组活动模式是细胞分化的基础2. Determinative factor of cytoplasm细胞质决定因子的影响 例： Maternal effect genes 母源效应基因，胚胎基因组激活之前,控制胚胎中母性产物表达的基因。-mRNA

22、s stored in oocytes, and translated to proteins after fertilization，e.g. 果蝇的BICOID蛋白 unequal distribution of cytoplasmic substance，e.g. numb蛋白3. The regulation at transcriptional level of gene selective expression 基因选择性表达的转录水平调控4. The role of microRNA on cell differentiation小RNA在细胞分化中的作用Part II: mol

23、ecular basis of cell differentiation663. Gene regulation 基因的调控DNA methylation甲基转移酶催化下，DNA碱基上添加入甲基基团的化学修饰现象。Histone acetylation组蛋白乙酰化酶和组蛋白去乙酰化酶作用调节。组蛋白也会甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化或羰基化等c. Homeobox gene 同源框基因: 67一种同源异形基因，在胚胎发育过程中，将空间特异性赋予身体前后轴不同部位的细胞，进而影响细胞分化。DNA 甲基化导致基因失活/沉默的可能机制甲基化直接干扰转录因子与启动子中特定的结合位点的结合；特异的转录抑

24、制因子直接与甲基化DNA结合；染色质结构的改变。68DMNT组蛋白的乙酰化和去乙酰化影响转录因子与DNA的结合组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为组蛋白密码（histone code），它决定了染色质转录活跃或沉默的状态。组蛋白乙酰化：在组蛋白乙酰基转移酶作用下，于组蛋白N-端尾部的赖氨酸加上乙酰基。乙酰化的作用：在大多数情况下，组蛋白乙酰化有利于基因转录。低乙酰化的组蛋白通常位于非转录活性的常染色质区域或异染色质区域。69Homeobox gene举例1. Genome profile基因组活动模式是细胞分化的基础2. Determinative factor of cytopl

25、asm细胞质决定因子的影响 例： Maternal effect genes 母源效应基因，胚胎基因组激活之前,控制胚胎中母性产物表达的基因。-mRNAs stored in oocytes, and translated to proteins after fertilization，e.g. 果蝇的BICOID蛋白3. The regulation at transcriptional level of gene selective expression 基因选择性表达的转录水平调控4. The role of microRNA on cell differentiation小RNA在细胞

26、分化中的作用Part II: molecular basis of cell differentiation72Dedifferentiation and transdifferentiation 去分化和转分化In certain condition, differentiated cells lost differentiated structure and function and to form the undifferentiated cell- dedifferentiation. (autophagy自噬, apocytosis胞质脱落, exocytosis外排 )去分化transdifferentiation-one type of differentiated cell changed to another type of differentiated cell.转分化74Key Questions for CELL DIFFERENTIATIONThe concept （概念）Molecular basis （分子基础）Affect factors （影响因素）Related disease （相关疾病）77Part III Affect f