大连工业大学细胞生物学第十一章 细胞分化与基因表达调控

1、第十一章 细胞分化与基因表达调控精子卵受精卵分化新个体发 育Cell differentiation第一页，共六十一页。卵裂和胚泡形成受精卵卵 裂桑椹胚胚 泡第二页，共六十一页。胚 泡 腔滋 养 层内细胞群胚端滋养层胚泡于受精后第4-5天形成，并进入子宫。胚泡形成胚泡第三页，共六十一页。三胚层胚盘及相关结构的形成（第三周）部分上胚层细胞增殖-原条 头部原结 中心浅凹-原凹原条上胚层形成：外胚层中胚层内胚层第四页，共六十一页。第五页，共六十一页。第六页，共六十一页。分化的主要标志：细胞内开始合成新的特异性蛋白质细胞分化的关键：由于细胞选择性表达合成特异性蛋白质，导致形态、结构和功能各异的细胞细胞

2、分化(celldifferentiation) ：指受精卵开始的个体发育过程中细胞之间逐渐产生稳定性差异的过程。第一节细胞分化和细胞决定第七页，共六十一页。 细胞分裂 细胞分裂 受精卵-胎儿-成人 细胞分化 细胞分化 细胞分裂使细胞数目增加细胞分化使细胞功能分工受精卵胎儿成人细胞分裂、生长细胞分化第八页，共六十一页。增殖增殖如果只有细胞增殖，没有细胞分化，就只能形成一细胞团，而不能形成人体。第九页，共六十一页。通常，细胞分化是指细胞表型变化： 神经细胞 具有传导神经信息的功能（伸出长的突起） 肌细胞 具有收缩功能（呈梭形或柱形） 红细胞 具有携带氧和二氧化碳的功能（呈圆盘状） 表皮细胞 具有保

3、护功能（呈扁平形） 分化分化分化分化第十页，共六十一页。细胞分化的表现是产生不同结构和功能的细胞，其实质是由于特异功能蛋白质的合成。如： 神经细胞传导神经信息 神经递质； 肌细胞 收缩作用 肌动蛋白和肌球蛋白； 成熟的红细胞 运输氧和二氧化碳血红蛋白； 表皮细胞保护作用角蛋白第十一页，共六十一页。一、细胞分化的特点： 稳定性：即在正常生理条件下，细胞的分化状态一旦确定，将终生不变，既不能逆转也不能互变。第十二页，共六十一页。去分化：在一定条件下，高度分化的细胞可以重新分裂而回得到胚性细胞状态，这种现象叫做去分化 (dedifferentiation) 例如： 射线、药物、毒物. 正常分化的细胞

4、 癌细胞不正常条件第十三页，共六十一页。1958年有人用野生胡萝卜游离的韧皮部细胞进行体外培养的实验中，观察到已经高度分化的细胞可以重新分裂而回得到胚性细胞状态，这种现象叫做去分化或称脱分化，然后通过再分化形成根茎，最终发育成完整的新植株。第十四页，共六十一页。转分化：在一定的条件下哺乳动物的细胞也可以转化成另一种分化细胞。 如：人皮肤基底层细胞角化细胞 粘膜上皮细胞或具有纤毛的上皮细胞。 培养基中缺乏维生素A培养基中富含维生素A第十五页，共六十一页。、细胞分化具有时间性和空间性单细胞生物：时间性多细胞生物：时间性空间性、生物体普遍存在分化胚胎期是重要的细胞分化时期第十六页，共六十一页。细胞决

5、定的物质：卵细胞质二、细胞决定细胞决定（Determination）是指细胞在发生可识别的分化特征之前，就已确定了未来的发育命运，并向着特定方向分化，称为细胞决定。第十七页，共六十一页。证明：胚胎移植实验第十八页，共六十一页。（一）遗传稳定性果蝇成虫盘细胞的移植实验（二）决定制约着细胞分化的方向第十九页，共六十一页。第二十页，共六十一页。三、具有全能性的细胞与细胞核细胞全能性：单个细胞经分裂和分化后仍具有发育成完整个体的能力受精卵和桑椹胚期的细胞前的细胞在胚胎发育过程中，由全能多能单能的发育趋向，是细胞分化的一个普遍规律第二十一页，共六十一页。多能细胞全能细胞单能细胞第二十二页，共六十一页。p

6、lant cell -totipotency第二十三页，共六十一页。始终保持其分化全能性的细胞核 爪蟾卵核移植实验(经典的实验)爪蟾受精卵去细胞核植入表皮细胞的核正常幼体第二十四页，共六十一页。始终保持其分化全能性的细胞核第二十五页，共六十一页。克隆羊“多莉”实验即:高度分化的细胞如乳腺细胞的核仍有全能性图示第二十六页，共六十一页。四、细胞分化在细胞增殖的基础上进行的细胞分化发生于细胞增殖的期细胞的分裂能力往往随着细胞分化程度的提高而有所下降第二十七页，共六十一页。第二节、细胞分化的分子基础奢侈基因（luxury gene）编码决定细胞性状的特异基因，对细胞自身生存无直接影响，是细胞向特殊类型

7、分化的物质基础。如血红蛋白、肌动蛋白、分泌蛋白等。管家基因(house Keeping gene) 维持细胞生命活动所必需的、各类细胞共有的，对细胞分化只起协助作用的基因。如膜蛋白、核糖体蛋白、线粒体蛋白等。第二十八页，共六十一页。一、细胞分化是基因选择性的表达基因差异表达：细胞分化并不是基因组DNA全部表 达，而是奢侈基因按一定程序，有 选择地相继活化表达不同细胞：相同DNA 不同RNA 不同PRO第二十九页，共六十一页。分子杂交实验证明：细胞分化是基因选择性表达的结果分子杂交：DNA-DNA或DNA-RNA单链之间的互补序列在一定条件下通过碱基互补配对原则形成双链的现象。第三十页，共六十一

8、页。DNA-DNA杂交实验：不同物种的DNA序列不能杂交，证明DNA有物种特异性；同一物种不同组织的DNA间能杂交，表明DNA无组织特异性。DNA-RNA杂交实验：同一物种不同组织的DNA-RNA间的杂交不同，证明RNA有组织特异性。从分子水平看基因选择表达 特异mRNA转录 特异蛋白质合成细胞分化第三十一页，共六十一页。上述实验证实一个动物体内的不同类型细胞所含DNA相同，它们具有相同的基因。在发育的不同阶段和不同类型的组织中发生差别基因表达，使RNA有所不同，由于编码特异蛋白的结构基因在不同细胞中被选择性地激活，转录产生了不同的mRNA，从不同的mRNA转译产生的蛋白质就是专一的特异性蛋白

9、质。特异蛋白质在细胞中出现就是细胞表型分化的标志。第三十二页，共六十一页。基因差异表达的调控主要发生在转录水平（一）顺式调控元件启动子、增强子、沉默子等（二）反式作用因子（三）活性染色质结构的特异调控区（四）甲基化（五）同源盒基因第三十三页，共六十一页。果蝇唾液腺多线染色体膨松区的变化膨松区第三十四页，共六十一页。第四节 细胞分化的影响因素一、影响细胞分化的内在因素 卵细胞质 细胞核的作用 核质相互作用第三十五页，共六十一页。（一）卵细胞质的作用卵细胞质的作用：细胞决定，即决定细 胞分化的方向。作用时间：胚胎发育早期（卵裂期）第三十六页，共六十一页。315421 神经细胞质 神经细胞 2 脊索

10、细胞质 脊髓细胞3 外胚层细胞质 表皮4 中胚层细胞质 肌肉骨5 内胚层细胞质 腺细胞及消化道上皮蛙卵蛙受精卵的细胞质是不均质的，这种不均质性, 对胚胎的早期发育具有很大影响，在一定程度上决定细胞的早期分化以蛙为例：第三十七页，共六十一页。例如，将蛙受精卵卵裂早期的分裂球分离培养，只是含有灰新月物质的分裂球才能正常发育。图示第三十八页，共六十一页。（二）细胞核的作用在细胞分化中，细胞核起着重要或决定性的作用。第一、遗传物质决定性状，而遗传物质位于细胞核内。第二、从全能细胞 多能细胞 单能细胞，是细胞核内基因选择性表达的结果。第三十九页，共六十一页。核质相互作用 细胞核中的基因对细胞质的代谢起调

11、节作用； 细胞质对核内基因的活性有控制作用； 因此，核质的作用是相互的，紧密联系着的，共同影响着细胞分化。第四十页，共六十一页。1、细胞相互作用诱导细胞2、激素对细胞分化的作用3、位置信息对细胞分化的作用、外环境影响细胞决定（二）影响细胞分化的外在因素第四十一页，共六十一页。、细胞相互作用诱导细胞分化胚胎诱导是胚胎形成中有序分化的重要因素。能对其它细胞起诱导作用的细胞称诱导者（inductor），接受诱导的组织或细胞称为反应者。 胚胎诱导 （embryonic induction）在胚胎发育过程中，一部分细胞对邻近的另一部分细胞产生影响，并决定其分化方向的作用称为胚胎诱导。（1）胚胎诱导第四十

12、二页，共六十一页。胚胎诱导分为三级： 初级诱导：如脊索中胚层诱导其表面的外胚层发 育神经板； 次级诱导：如神经板卷成神经管后，前端膨大成 原脑，其两侧突出的视杯再诱导其上 方的外胚层形成晶状体，为次级诱导 三级诱导：晶状体再诱导其表面的外胚层形成角 膜，为三级诱导。第四十三页，共六十一页。脊索中胚层外胚层神经板前脑-视杯神经管外胚层晶状体外胚层 角膜第四十四页，共六十一页。图示第四十五页，共六十一页。、激素对细胞分化的作用 在胚胎发育晚期或胚后发育中。 远距离细胞之间也有相互作用。如甲状腺素可引起蝌蚪变态；性激素刺激第二性征的出现。激素分多肽类：与膜受体结合 第二信使调节基因活动 甾类：与胞内

13、受体结合 调节基因活动 第四十六页，共六十一页。、位置信息对细胞分化的作用、环境因素影响细胞的分化蜥蜴的性别发育：第四十七页，共六十一页。滋养外胚层内细胞团嵌合体实验第四十八页，共六十一页。细胞异常分化可引起细胞癌变细胞癌变是细胞去分化的结果低分化和高增殖肿瘤细胞的分化特征癌细胞是由正常细胞转化而来，表现为去分化或无序分化，分化程度与恶性程度成反比。肿瘤细胞可被诱导向正常细胞分化第四十九页，共六十一页。第二节干细胞干细胞（stem cell)：通常把机体中具有自我复制能力并能在一定条件下分化形成一种以上类型细胞的多潜能细胞称为干细胞。第五十页，共六十一页。干细胞分类根据分化能力的大小，可将机体

14、干细胞分为： 全能干细胞 多能干细胞 单能干细胞根据机体发育时期的不同，将机体干细胞分为 胚胎干细胞 成体干细胞第五十一页，共六十一页。胚胎干细胞 成体干细胞第五十二页，共六十一页。干细胞的基本特性通常呈圆形且具有不同的生化特性角蛋白15:表皮干细胞巢蛋白:NSC增殖速度通常很慢不同干细胞具有不同的分化潜能干细胞的增殖与分化主要受其微环境的调控第五十三页，共六十一页。一、胚胎干细胞的分化 胚胎干细胞：胚胎干细胞(embryonic stem cell，简称ES细胞) 是指存在于早期胚胎中，具有多分化潜能的细胞。受精卵及卵裂早期（桑甚胚期以前）的每一个细胞都有发育成一个完整机体的潜能，这些细胞称

15、为全能干细胞，它们具有发育的全能性。第五十四页，共六十一页。如：将小鼠胚胎发育细胞期的一个细胞用针捣毁，另一个仍能发育为完全正常的小鼠。正常小鼠受精卵2细胞期第五十五页，共六十一页。将两只细胞期的鼠胚合并，也能发育成一只正常的小鼠。表明哺乳类动物早期胚胎细胞发育到细胞期仍是全能的。图示第五十六页，共六十一页。（1）建立ES细胞系为哺乳动物发育生物学研究提供材料或模型。如可利用ES细胞体外研究某些细胞因子等因素对细胞生长和分化的影响，减少内源性因素干扰的复杂性；利用ES细胞的基因突变来研究细胞分化过程中某些基因的功能等。（2）利用ES细胞的发育多能性及环境因素对细胞发育的影响，定向诱导细胞分化为特定的细胞，如肌细胞，神经细胞等，为细胞移植提供新细胞来源。胚胎干细胞的应用第五十七页，共六十一页。二、成体干细胞的分化成体的许多组织中都保留一些具有增殖和分化能力的细胞，这类细胞称为成体干细胞。成体干细胞的分化特点：其一是不对称分裂，即一个干细胞分裂后所产生的两个子细胞中，一