医学教学课件：细胞分化

细胞分化

胚胎发育的过程，就是一个精密调控的细胞分裂、迁移、分化和凋亡的过程，而分化是发育的核心。虽然细胞分化不是胚胎发育所特有的，单细胞生物也会产生细胞分化，但是最重要、最吸引人的细胞分化无疑存在于后生动物的胚胎发育过程中。

在很大的程度上，我们可以说：

受精卵发育为成熟的生命体，是细胞分化最为辉煌、最为伟大的成就！细胞分化的基本概念细胞分化的分子基础影响细胞分化的因素细胞增殖和分化的时序性与机体形态细胞分化和癌细胞第一节

细胞分化的基本概念

1.细胞分化(celldifferentiation)：指受精卵发育成个体的过程中，细胞之间逐渐产生稳定差异并获得其特性及功能的过程一、细胞分化细胞分化的时空变化：时：不同种类细胞在特定时间内开始分化空：处于不同部位的细胞有不同的分化方向

2.细胞分化的标志(1)合成特异性蛋白质如：红细胞→血红蛋白;上皮细胞→角蛋白(2)

细胞内出现新组装的亚细胞结构如：肌细胞→肌节和肌浆网;上皮细胞→细胞骨架；神经细胞→离子通道(3)

细胞形态结构变化

如：神经细胞→突触;红细胞→核丢失

各特征的出现是相统一的。3．分化的不可逆性(1)细胞分化是细胞原有的全能性分化潜能逐渐减少和消失的过程。一般自然情况下，细胞一旦分化不可能再逆转到未分化状态。(2)特殊情况下的逆转：①人为因素：体外培养外周血细胞淋巴细胞淋巴母细胞样细胞→恢复分裂能力。②肿瘤细胞：已关闭的胚胎期基因重新开启，表达胚胎期蛋白，如肝癌细胞、胰腺癌细胞表达甲胎蛋白。PHA逆转去分化：分化细胞失去分化特性，可逆地变为具有未分化细胞特性的过程。转分化(再分化)：细胞从一种分化状态经去分化变为另一种分化状态。植物营养器官→去分化→再分化→完整植株。蝾螈的断肢：已分化的肌细胞丢失肌原纤维重新进入分裂→形成完整新肢。肿瘤细胞→转化→不再进行终末分化→恶性增殖细胞。去分化再分化从单个合子核发育为不同类型细胞，基因活性谱发生了改变，这种改变是否涉及遗传物质的改变？细胞核移植实验证明：A：分化中遗传物质没有发生不可逆改变；B：细胞质中含有决定核内基因活性谱的控制因子。二、细胞的全能性和细胞决定(一)细胞的全能性及全能性细胞1.细胞全能性(totipotency)：单个细胞在一定条件下可分化发育为完整个体的分化潜能称为全能性。2.全能性细胞：全能性细胞可表达基因组中任何基因，分化为个体的任一种细胞。如受精卵。3．细胞的多能性(pluripotency)：在发育过程中，细胞分化潜能出现局限，失去了发育成完整个体的能力，只具有分化成多种组织细胞的潜能，称细胞的多能性。如中胚层细胞只分化为本胚层的组织。4．细胞的专能性(monopotency)

：有的细胞只能分化为一种特定的细胞，如造血干细胞中的红系干细胞只能分化为红细胞。5．核的全能性：分化成熟的体细胞核仍具有发育成一个完整个体能力，称核的全能性。如多利羊的产生，是由分化成熟的乳腺细胞核与去核卵融合发育来的，含有乳腺细胞的遗传物质。（二）细胞决定1．细胞决定(celldetermination)：细胞决定是在细胞出现可识别的形态和功能差异之前，细胞已经具备向特定方向分化，最终形成具有一定表型特征细胞的能力。决定先于分化，是细胞分化的前奏或基础，并制约分化方向；分化是决定稳定发展的结果。2．细胞决定发生的时期：胚胎发育：受精卵→卵裂期→囊胚期(桑椹胚)→原肠胚(三胚层形成)→器官形成→成体细胞决定发生在三胚层形成期。以两栖类做实验，正常情况下：显微手术：异位交换移植。预定腹部表皮的细胞另一胚胎预定脑的部位；将预定脑的细胞另一胚胎预定腹部表皮的部位。若早原肠胚期移植，被移植细胞按当地细胞分化。发育发育原肠胚腹部外胚层(预定表皮)腹部皮肤表皮前顶端外胚层(预定脑)脑移植移植若晚原肠胚期移植，则发生错位分化，即：腹部外胚层(预定表皮)原肠胚前顶端腹部表皮前顶端外胚层(预定脑)原肠胚腹部脑移植移植发育发育

表明原肠胚晚期细胞分化方向已决定，即使外界环境条件改变，分化方向不变。第二节

细胞分化的分子基础一、细胞分化的实质二、细胞分化基因表达的调节一、细胞分化的实质1.细胞分化的实质是基因选择性表达，即奢侈基因的表达使细胞合成特异蛋白质。2.基因组基因分为两类:

管家基因(houskeepinggene)

奢侈基因(luxurygene)奢侈基因占基因总数的5~10%。(1)管家基因：指导合成细胞维持生存所必须的基础蛋白质的基因。如合成组蛋白、膜蛋白、核糖体蛋白、细胞周期蛋白等的基因。(2)奢侈基因：指导合成细胞分化的各种特异蛋白质的基因。如合成肌动蛋白和肌球蛋白，角蛋白，血红蛋白等的基因。分子杂交技术检测基因及其表达

细胞总DNA

细胞总RNA

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++++--β-珠蛋白基因+++-+-胰岛素基因+++--+实验方法Southern杂交Northern杂交二、细胞分化基因表达的调节细胞对分化基因表达从三个水平调节：第三节影响细胞分化的因素一、核-质的相互作用

对细胞分化的影响1．核的影响

核提供遗传信息，提供特异mRNA的模板，调控胞质中各种成分的种类和数量，影响整个细胞的代谢活动，产生不同性状。去核或核被破坏的细胞，分化不会发生，细胞也会很快死亡。2．细胞质的影响(1)细胞质的影响：①细胞质在细胞中的分布不均匀；②细胞分裂时胞质不均等分配，子细胞所得胞质成分不完全相同。这些胞质成分可调控基因的选择性表达，影响细胞的分化方向。(2)卵细胞质的影响：卵细胞质的某些成分可激活或抑制核基因活动。如：爪蟾肾细胞核蝾螈去核卵中，观察核基因的表达。蛋白质电泳分析表明：正常肾应该表达的基因关闭；非肾蛋白质表达(基因打开)。移植二、诱导和抑制对分化的影响1．分化诱导(differentiationinduction)

：也称胚胎诱导，胚胎发育过程中胚层之间相互促进分化的正向作用。胚胎发育过程中一般中胚层先分化，并对相邻的内、外胚层分化诱导。(1)

脊索中胚层相邻外胚层神经板→神经管→脑。若预先去掉脊索，神经板分化受阻。(2)

中胚层诱导外胚层形成皮肤及其附属器，如表皮、鳞、指(趾)

甲等。诱导分化(3)

中胚层诱导内胚层形成胰腺等。(4)

胚层之间相互诱导：外胚层神经细胞与其支配区域的肢芽相互诱导。切除颈、腰区神经细胞，肢体发育受阻。切除肢芽，神经细胞的数目大大减少。神经管发育缺陷2．分级诱导：细胞间的相互诱导作用是分级进行的。诱导产生的结构可作为诱导物诱导下一结构产生。如眼球发育过程中的三级诱导。视泡晶状体角膜3．分化抑制：抑素：已分化的细胞可产生抑素，抑制附近的细胞进行同样的分化。这是发育过程中的负反馈调节。如将蛙胚置于含成体蛙心脏的培养液中，则蛙胚分化进程受阻致分化不能完成。诱导和抑制的相互作用，维持细胞正常分化和胚胎的发育。三、激素对分化的作用1．激素对靶细胞促分化作用如：给未成熟小鸡注射雌激素

输卵管上皮细胞腺体细胞(分泌卵清蛋白)

分化出杯状细胞和纤毛细胞(运动排卵)。

4天分化10天四、细胞外基质对分化的影响

五、环境因素对分化的影响第五节细胞增殖和分化的时序性与机体形态在分化过程中，化学分化先于形态分化，形态分化先于功能分化化学分化是细胞分化的关键基因印迹genomicimprinting合子的基因激活甲基化基因印迹genomicimprinting

在配子或合子发生期间，来自亲本的等位基因或染色体在发育过程中产生专一性的加工修饰，导致后代体细胞中两个亲本来源的等位基因有不同的表达方式母系印迹：母源基因失活，父源基因表达父系印迹：父源基因失活，母源基因表达

（表观遗传）指二倍体细胞的一对基因（父本和母本）只有一个可以表达，另一个因甲基化而沉默。受精卵拥有正常互补的雄性和雌性基因组，胚胎才能正常发育印迹基因的特点印迹基因存在于一个配子内，该基因在有丝分裂过程中稳定遗传给每个细胞印迹基因仅存在于二倍体细胞的单亲染色体上在性别决定以后，基因印迹在生殖系内被删除Igf2+/-fathersIgf2+/-maleXwild-typefemale+/++/-normalsizedwarf(M&F)DominantdwarfphenotypeIgf2+/-motherswild-typemaleXIgf2+/-female(dwarf)+/++/-Normalphenotypenormalsizenormalsize(M&F)甲基化DNA甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。第四节细胞分化和癌细胞细胞分化失控或分化异常使细胞恶性变，成为癌细胞。细胞癌变是去分化的结果，即恢复到未分化状态，与胚胎细胞有许多相似的生物学特性。如失去接触抑制，低血清条件下生长，低分化高增殖。癌症产生是基因突变积累和自然选择的结果