分子生物学-细胞分化课件

细胞分化

第一节

细胞分化的基本概念

细胞分化(celldifferentiation)：指个体发育过程中，细胞后代之间在形态结构、生化组成和功能上向专一性和特异性方向发展，逐渐产生稳定性差异的过程。

一.多细胞生物个体发育过程与细胞分化潜能1.胚胎发育卵裂、囊胚、原肠胚、神经轴胚期及器官发生等阶段；2.胚后发育幼体从卵膜孵化出或从母体分娩出以后，经幼年、成年、老年直至衰老、死亡的过程。细胞分化始于原肠胚形成之后，并贯穿于个体发育的全过程，但于胚胎期最为典型。

多细胞生物的个体发育

（一）动物和人类胚胎的三胚层代表

不同类型细胞的分化去向受精卵(fertilizedegg)囊胚(blastula)原肠胚(gastrulation)外胚层中胚层内胚层

生殖细胞

Ectodermmesodermendodermgermcell皮肤表皮细胞脊索骨骼肌肾小管消化管咽雄性雌性中枢神经系统红细胞面部肌肉呼吸管精子卵子神经脊(二)细胞分化潜能随个体发育进程逐渐受限随着个体发育进程，由受精卵分裂产生的细胞群在不同的空间位置、不同的发育时段产生差异。全能性细胞（totipotentcell):具有在一定条件下分化发育为完整个体的潜能，如：两栖类动物：囊胚形成前的卵裂球细胞哺乳动物：桑椹胚的8细胞期之前的细胞多能细胞(pluripotentcell)：三胚层形成后，由于细胞所处的空间位置和微环境的差异，各胚层细胞向各既定方向分化发育，细胞的分化潜能逐渐受到限制，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。经过器官发生后，各种组织细胞的命运最终确定，细胞呈单能化（unipotency）状态。胚胎发育过程中，细胞逐渐由全能—多能—单能的趋向是细胞分化的一般规律。（三）终末分化细胞的细胞核具有全能性核的全能性：分化成熟的体细胞核仍具有发育成一个完整个体的能力，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的卵细胞融合发育而来，含有乳腺细胞的遗传物质。“克隆牛之父”杨向中

（1959年7月—2009年2月）

生命的密度

2010-08-25南方周末

杨向中于2009年2月5日去世，他的去世使科学界失去了一位家畜育种方面的先驱，一位克隆技术的坚定支持者，一位热情的国际主义者，一位非常勇敢的人。我们将深深地怀念他。——克隆羊“多利”之父维尔穆特（IanWilmut）1999年杨向中和他的克隆牛艾米在美国康州大学的奶牛养殖场。艾米是继克隆羊多利之后的又一项具有里程碑意义的成果。杨教授夫妇通力合作，完成了一系列生物克隆研究前沿的论文——关于端粒（telomere）衰老问题和雌性动物X染色体激活的研究发表于《自然遗传学》，克隆动物印记发表于《美国科学院院刊》等。多项研究成果引起了同行的注意，很多成果开辟了克隆研究的新领域。2011年4月于康州大学二、细胞决定与细胞分化（一）细胞决定先于细胞分化并制约着分化的方向细胞决定(celldetermination)：个体发育中，细胞在出现可识别的分化特征前就确定了未来的发育命运，只能向特定方向分化。细胞决定发生的时期：在原肠胚期内、中、外三胚层形成时，虽然细胞在形态上看不出差异，但此时形成各器官的预定区已经确定，不同预定区决定了它只能按一定的规律发育分化成特定的组织、器官和系统。

两栖类胚胎移植实验，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。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

若早原肠胚期移植，被移植细胞按当地细胞分化。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。三、细胞分化的可塑性（一）细胞分化具有高度的稳定性正常生理条件下，已经分化为某种特异、稳定类型的细胞一般不能逆转到未分化状态。这是个体生命活动的基础。（二）细胞分化具有可塑性已分化细胞在特殊条件下可重新进入未分化状态或转分化为另一种类型细胞的现象。这是生物医学领域研究热点。1.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；2.转分化：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。

去分化再分化

四、细胞分化的时空性个体发育过程中，多细胞生物既有时间上的分化，也有空间上的分化。时间上的分化：细胞在不同发育阶段可分化呈现不同的形态结构和功能.空间上的分化：同一种细胞后代，由于各自所处空间位置不同，其环境也不一样，可分化呈现不同的形态结构和功能.五、细胞分裂与细胞分化细胞分裂与细胞分化是多细胞生物个体发育过程中的两个重要事件，二者密切相关。通常细胞在分裂即增殖的基础上进行分化。影响因素：1.早期胚胎细胞的不对称分裂；2.分裂速度：一般在G1期发生分化。分裂速度快、G1期短、分化减慢；分裂速度慢、G1期长、分化程度高。第二节细胞分化的分子基础一、基因组的活动模式(一)

基因的选择性表达是细胞分化的普遍规律细胞分化并不是由于基因丢失或永久性地失活。经典细胞核移植实验1.20世纪60年代，Gurdon(Oxford,UK)

非洲爪蟾，肠上皮细胞，去核卵细胞，其中部分发育为蝌蚪和成体爪蟾；2.1997年,英国爱丁堡大学Wilmut等，多（Dolly）羊.（二）基因组改变是细胞分化的特例（一）母体效应基因产物的极性分布决定了细胞分化与发育的命运研究提示，成熟卵细胞中储存有2-5万种RNA，其中大部分为mRNA，受精后才翻译为蛋白质。有些mRNA在卵细胞中分布不均（动物极、植物极），在细胞发育命运的决定中起重要作用。二、细胞质中的细胞分化决定因子与传递方式母体因子：卵质中呈极性分布、在受精后被翻译为在胚胎发育中起重要作用的转录因子和翻译调节蛋白的mRNA。母体效应基因：编码母体因子的基因。（二）胚胎细胞分裂时胞质的不均等分配影响细胞的分化命运胚胎早期发育过程中，细胞质成分分布不均，分布具有区域性。细胞分裂时，胞质成分被不均等地分布到子代细胞中，调控细胞核基因表达，在一定程度上决定细胞的早期分化。

例：果蝇的感觉器官，感觉性母细胞三、基因选择性表达的转录水平调控多细胞生物个体发育过程中，基因的表达具有严格的时间和空间特异性。研究表明，细胞分化的基因表达调控主要发生在转录水平。（一）基因的时序性表达特定基因的表达严格按照一定的时间顺序发生。（二）基因的组织细胞特异性表达一种基因产物在个体的不同组织或器官中表达，即在个体的不同空间出现-基因表达的空间特异性。

通常情况下，细胞特异性基因表达是由于那些仅存于某种类型细胞中的特异性转录因子与基因的调控区相互作用的结果。这种相互作用的复杂性涉及调控区结合位点、转录因子、转录因子结合蛋白等要素。（三）细胞分化过程中基因表达调控的复杂性细胞谱系：个体发育中通过细胞分裂产生大量多代各种成体细胞，祖细胞与分化细胞先后连续的宗系关系。特定谱系细胞形成过程中，转录因子普遍的作用方式：

1.同时调控：一个转录因子能同时调控几个基因的表达，表现为同时发生某些基因的激活和某些基因的关闭；

2.组合调控：转录起始受到一组基因调节蛋白而不是单个基因调节蛋白调控的现象。（四）染色质成分的化学修饰

在转录水平上调控细胞的特化1.DNA甲基化在转录水平上调控细胞分化的基因表达DNA甲基化：在甲基转移酶催化下，DNA分子中的胞嘧啶可转变成5-甲基胞嘧啶。DNA甲基化对基因活性的影响之一是启动子区域的甲基化。

甲基化程度越高，DNA转录活性越低。可能机制：（1）干扰转录因子与启动子特定位点的结合；（2）特异转录抑制因子直接与甲基化DNA结合；（3）甲基化导致的基因沉默由染色体结构改变引起。2.组蛋白的化学修饰影响基因转录与细胞分化包括乙酰化、甲基化、磷酸化、sumo化及糖基化。将引起染色质结构改变而导致基因转录或沉默。四、非编码RNA在细胞分化中的作用非编码RNA（non-codingRNA）：一类不编码蛋白质的RNA分子。人类基因组中绝大部分为非编码序列，其表达产物为非编码RNA。传统意义上基因的外显子和内含子序列的转录产物也可被加工为非编码RNA。包括小RNA（20-30nt）和长度超过200个nt的长链非编码RNA（IncRNA）。（一）小RNA可在转录和转录后水平调控细胞分化小RNA主要在转录后水平调控基因的表达，它们通过与靶基因mRNA互补结合而抑制蛋白质合成或促使靶基因mRNA降解。此外，还可发挥转录抑制作用。（二）长链非编码RNA与细胞分化和发育密切相关通过多种方式调控基因表达第三节细胞分化的影响因素

一、细胞间相互作用对细胞分化的影响

在个体发育过程中，随着胚胎细胞数目的不断增加，细胞之间的相互作用对细胞分化的影响越来越重要。原肠胚以后，三个胚层的发育前途虽已确定，但各胚层进一步发育还有赖于细胞群之间的相互作用，它协调了细胞分化的方向。（一）胚胎诱导胚胎发育过程中，一部分细胞对邻近细胞产生影响并决定其分化方向的现象。研究表明，胚胎细胞间的相互诱导是有层次的，如在三个胚层中，中胚层首先独立分化，此过程对相邻胚层有很强的分化诱导作用，促进内胚层、外胚层各自向相应的组织器官分化。诱导方式（机制）：通过释放各种旁分泌因子实现。（二）抑制效应细胞间的相互作用除了有诱导作用外，还有相互抑制分化的作用。在胚胎发育的过程中，已分化的细胞抑制邻近细胞进行相同分化而产生的负反馈调节作用，称为分化抑制。二、激素对细胞分化的调节通过血液循环介导远距离细胞间的相互作用。激素所引起的反应是按预先决定的分化程序进行的，是个体发育晚期的细胞分化调控方式。

三、环境因素对细胞分化的影响细胞分化的方向可因环境影响而改变。包括物理、化学和生物因素均可对细胞的分化与发育产生重要影响。第四节细胞分化与医学细胞分化是包括人类在内的多细胞生物个体发育的核心事件。1.细胞分化与发育异常将引起多种出生缺陷；2.许多疾病如肿瘤与细胞分化密切相关；3.细胞分化的可塑性也与再生医学关系密切。一、细胞分化与肿瘤（一）肿瘤细胞是异常分化的细胞1.肿瘤细胞呈现出未分化和低分化的特点；2.丧失正常细胞的接触性抑制特点，表现为肿瘤细胞增殖失控、侵袭、转移的恶性生物学特征。（二）细胞分化的研究进展促进了对肿瘤细胞起源的认识大量证据表明，肿瘤更多地起源于一些未分化或微分化的干细胞，是由于组织更新时所产生的分化异常所致。组织更新存在于高等生物发育的各个时期。如成年组织的骨髓等，存在着未分化的干细胞，常是恶变的易感细胞。（三）肿瘤细胞可被诱导分化为成熟细胞维生素A衍生物-维甲酸对人急性早幼粒细胞白血病具有诱导分化的作用。中国学者应用全反式维甲酸治疗急性早幼粒细胞白血病获得成功，证明全反式维甲酸可诱导白细胞细胞沿着粒细胞系进行终末分化。

二、细胞分化与再生医学（一）低等生物再生的本质是多潜能未分化细胞的再发育一些发育成熟的成年动物个体有再生现象，表现为动物的整体或器官受外界因素作用发生创伤而部分丢失时，在剩余部分的基础上又生长出与丢失部分在形态结构和功能上相同组织或器官的过程。一般来说，高等动物的再生能力低于低等动物，脊椎动物低于无脊椎动物。哺乳动物的再生能力很低，仅限于肝脏等少数器官。再生的本质

成体动物为修复缺失的组织器官的发育再活化。几种方式：1.先去分化，在重新分化；2.多潜能未分化细胞的再分化和