医学细胞生物学细胞分化

第九章细胞分化

第一节细胞分化概述

受精作用多细胞生物是由形态各样、功能迥异的组织和细胞组成的有机统一体神经细胞：传导神经冲动肌肉细胞：行使运动功能血液细胞：负责物质运输淋巴细胞：构筑防御体系成年人全身细胞总数约1014个，细胞种类有200多种

上述各种各样的细胞均来源于受精卵细胞的分化继续发育神经细胞红细胞肌肉细胞上皮组织细胞对象：相同细胞→不同的细胞结果：产生形态、结构、功能不同的细胞定义：在个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程一、细胞分化的概念什么是稳定性差异？例如：在动物胚胎发育过程中，红细胞和心肌细胞都是来自中胚层。但是，后来红细胞能够合成血红蛋白，而心肌细胞则能够合成肌动蛋白和肌球蛋白。这两种细胞的稳定性差异是不可逆转的。二、细胞分化的特点

1.黑色素细胞在体外培养30多代后仍能合成黑色素；离体培养的上皮细胞，始终保持为上皮细胞，而不会变成其他类型的细胞。稳定性

2.一种类型的分化细胞可以转化为其他种类的分化细胞称为横向分化；而某些组织的成体干细胞具有分化为另一种组织细胞的潜能。可塑性

3.细胞分化是一种普遍的生命现象，在整个个体发生中均有细胞分化活动普遍性

4.不同发育阶段，细胞出现不同的形态和功能；因细胞所处空间位置不同而出现而出现形态和功能上的差异

时空性三、细胞分化的原因细胞分化的关键在于特异性蛋白质合成合成特异性蛋白质实质在于组织特异性基因在时间和空间上的差异性表达差异性表达的机制是基因表达的组合调控胚胎细胞红细胞心肌细胞血红蛋白基因开启肌动蛋白基因关闭大量合成血红蛋白血红蛋白基因关闭肌动蛋白基因开启大量合成肌红蛋白细胞分化是基因选择性表达的结果分子杂交技术检测基因及其表达四、细胞分化的意义细胞分化是个体发育的基础使多细胞生物体中的细胞趋向专门化，有利于提高各种生理功能的效率细胞分化有丝分裂受精卵小肠上皮细胞血红细胞神经细胞五、细胞分裂与细胞分化细胞分裂细胞分化不同点细胞数量形态结构功能相同点联系增加相同不变差异遗传信息都不变共同完成生物个体发育过程细胞全能性是指细胞在一定条件下所表现出分化为各种类型细胞的潜能或重新发育成完整个体的能力植物细胞具有全能性，在适宜的条件下可培育成正常的植株。动物细胞核移植实验证明细胞核具有发育全能性如蛙皮细胞核移植后发育成蝌蚪Dolly羊的诞生说明高度分化的哺乳动物体细胞核也具有发育全能性六、细胞的全能性1958年，美国植物学家斯图尔德等人，用胡萝卜韧皮部的组织块进行离体培养，得到了完整的植株,并且能够开花结果。胡萝卜肉质根的组织培养示意图成熟的胡萝卜植株胡萝卜肉质根薄片胡萝卜试管苗胚状体发育离体培养植物组织培养的基本过程科学实验已经证实：植物的花药、根尖、茎尖、幼胚、种子、果实等都能够在适宜的条件下发育成完整植株克隆绵羊－－“多莉”母绵羊A乳腺细胞

（体细胞）

母绵羊B未受精的卵细胞

母绵羊C“多莉”新的卵细胞发育成胚胎去核卵细胞提取细胞核细胞融合胚胎移植细胞全能性是潜能，要表现全能性需要前提条件必须是离体的细胞或组织器官需要适宜的条件个体发育同样要经历细胞分裂、细胞分化

受精卵发育按严格的模式和时间次序发展，发育初级的细胞并非包含成形的形体，而是具备发育为完整个体的潜力。 这种潜力，来自一组称为干细胞的分化能力。在个体发育整个过程中，由于干细胞的存在使细胞分化不断进行。

七、干细胞

是一类具有自我复制能力的多潜能细胞，在一定条件下可以分化成多种功能细胞。高度的增殖潜能（自我更新能力或自我维持能力）高度的分化潜能（可分化为多种组织）七、干细胞干细胞有两方面区别于其它细胞的特征

1.可分化为与自身完全相同的细胞

2.可生产出特异性分化的细胞

根据个体发育过程中出现的先后次序不同，干细胞可分为两类：

胚胎干细胞

成体干细胞。

胚胎干细胞，又称全能干细胞，存在于未发育成熟的胚胎，高水平表达端粒酶，可分化为除构成脐胎盘，脐带等之外的任何一种特定类型细胞。即能长成动物的任何组织和器官。人胚胎干细胞培养过程精原细胞

内细胞群的细胞可以发育成除了胎盘以外的完整个体，因而这些细胞被认为具有全能性。胚胎干细胞的优点

——全能性成体干细胞是存在于成体动物的许多组织和器官，具有修复和再生的能力的细胞。成体干细胞大多数时候处于静息状态。在特定条件下，成体干细胞或者产生新的干细胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能细胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。成体干细胞的优点

成体干细胞则可从患者自身获得，不存在组织相容性的问题。成体干细胞不会诱发畸胎瘤的发生。成体干细胞也不存在伦理学争执。成体干细胞的不足尚未从人体的全部组织中分离出成体干细胞.成体干细胞含量极微，很难分离和纯化，且数量随年龄增长而降低在一些遗传缺陷疾病中，遗传错误很可能也会出现于病人的干细胞中，这样的干细胞不适于移植成人身上获得的干细胞可能没有年轻人的干细胞那样的增殖能力由于日常生活中人是暴露在各种环境之下的，日光和毒素等都有可能造成基因突变，成体干细胞可能包含更多的DNA异常等等。神经干细胞造血干细胞间充质干细胞骨及软骨干细胞心脏干细胞皮肤干细胞脂肪干细胞肠胃干细胞胰腺干细胞肝脏干细胞前列腺干细胞角膜干细胞气管干细胞血管内皮干细胞生殖干细胞肿瘤干细胞目前已经分离到的成体干细胞造血干细胞造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源，它主要存在于骨髓、外周血、脐带血中。在20世纪五十年代，临床上就开始应用骨髓移植（BMT）方法来治疗血液系统疾病。全能干细胞多能干细胞干细胞技术的市场前景

研究干细胞增殖和分化机制的最终目的是应用干细胞治疗疾病。理论上讲，干细胞可以用于各种疾病的治疗，但其最适合的疾病主要是组织坏死性疾病如缺血引起的心肌坏死，退行性病变如帕金森综合征，自体免疫性疾病如胰岛素依赖型糖尿病等。目前科学家已能在体外以干细胞为种子培育成功一些组织器官，来替代病变或衰老的组织器官。造血干细胞移植是目前治愈白血病和某些遗传性血液病的惟一希望，在肿瘤和难治性免疫疾病的治疗中也有其独特的作用。干细胞技术的市场前景

第二节细胞分化的机制

卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。北极或动物极：极体释放的部位；南极或植物极：相对北极而言，母体物质主要储存在于植物极。二、细胞分化的机理（一）细胞分裂的不对称性动物卵细胞中贮存有大量mRNA，呈非均匀分布用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵，胚胎发育仍能进行至囊胚期用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵，受精卵停止发育卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞的。迁入卵的后端极质部的细胞发育为原始生殖细胞，用紫外线照射这一区域，破坏极质，卵将发育为无生殖细胞的不育个体。

母系基因产物控制卵的不对称分裂

细胞的不对称分裂使姐妹细胞产生了差异在细胞分裂时一些重要的分子被不均等地分配到两个子细胞中

胚胎诱导(embryonicinduction)

：胚胎发育过程中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。诱导者(inductor)：对其它细胞起诱导作用的细胞：脊索可诱导其顶部外胚层发育成神经板，神经沟和神经管；视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体，而晶体又可诱导外胚层形成角膜。（二）细胞间的相互作用诱导的相互作用可以在原本等同的细胞中建立起有序的差异

分化抑制：分化成熟的细胞可以产生抑素，抑制相邻细胞发生同样的分化如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正常的心脏。细胞数量效应小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功能的胰腺组织，但如果把胰原基切成8小块分别培养，则都不能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。细胞外基质的影响干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞；在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞；在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。激素的作用如昆虫的保幼激素和脱皮激素。

无论是母体mRNA的作用还是细胞间的相互作用，其结果是启动特定基因的表达。根据对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明：卵受精后，首先表达的是母体基因；母体基因的产物是转录因子，沿胚的前后轴形成一个浓度梯度，决定了胚的前后位置和头尾区域；控制其它基因的表达：（三）基因与细胞分化

生物体细胞中含有决定生长分裂和分化的全部基因信息，按其与细胞分化的关系，可将这些基因分为两大类：奢侈基因和管家基因

奢侈基因与管家基因

奢侈基因(luxurygene)：编码细胞特异性蛋白，与各种分化细胞的特定性状直接相关，这类基因对细胞自身生存无直接影响。如编码红细胞血红蛋白，肌细胞的肌球蛋白和肌动蛋白等的基因属此类。

管家基因(housekeepinggene)：这类基因的表达产物为细胞生命活动持续需要和必不可少，但与细胞分化的关系不大，在细胞分化中只起协助作用。 如tRNA，rRNA基因，催化能量代谢的各种酶系，三羧酸循环中各种酶系等从分子层次看，细胞分化主要是奢侈基因中某种（或某些）特定基因选择性表达的结果。某些基因的选择性表达合成了执行特定功能的蛋白质，从而产生特定的分化细胞类型。基因表达的时空特异性阶段特异性（时间）：特定基因的表达按照严格的时间顺序发生组织特异性（空间）：同一基因产物在不同的组织器官表达数量不同，不同的产物蛋白又分布于不同的细胞或组织器官

在胚胎发育过程中，细胞基因组严格按时空顺序相继活化这一现象称为基因的差异表达（differentialexpression）或顺序表达（sequentialexpression） 从一个受精卵开始，在个体发育的过程中逐步分化产生各种细胞类型和组织，这种分化就是不同特异性基因相继表达的结果

特异蛋白的选择性基因表达主要在转录水平进行

DNAmRNA多肽转录翻译

如果蝇和其他双翅目昆虫唾腺染色体所看到的膨松区的形成。膨松区是基因的活化区，即正转录区域。膨松区的位置和数目在相同发育阶段的同一类型细胞一致，但在不同类型的细胞中有区别，在不同的发育阶段也有明显变化。

用32P磷酸盐分别掺入前体细胞和原成红细胞，若珠蛋白基因有表达，则DNA可转录有32P标记的RNA。当用克隆的胚胎型

样珠蛋白基因DNA探针与之杂交，发现在原成红细胞中有DNA-RNA杂交反应，而前体细胞中不发生杂交反应。说明前体细胞的胚胎型珠蛋白基因处于休止状态，直至发育到原成红细胞时才被活化。表明

样珠蛋白基因具有严格的红系组织特异性和发育阶段专一性特点。特异基因的阶段性表达一、DNA水平的调控1．基因扩增

在生活史的某一段时间临时出现。如非洲爪蟾在成熟过程中产生18S、28SrRNA的rDNA的选择性复制，使成熟卵细胞具有2

106个DNA拷贝，与二倍体细胞（含有900个拷贝）相比，扩增1000倍。由于大量合成核糖体，在一个细胞核中甚至可出现1000个以上的核仁。(四)细胞分化中基因表达的调控2.DNA序列重排:在人类基因组中，所有抗体的重链和轻链都不是由一个完整的抗体基因编码的，而是由不同基因片段经重组后形成的。

3.非组蛋白质:特异的非组蛋白质可能决定相应的特定基因的转录，

调节细胞中转录过程的因素是非组蛋白质。

恒定区可变区重链轻链兔子胸腺和骨髓细胞的染色质重组实验①未分离的胸腺染色质合成胸腺mRNA。②未分离的骨髓染色质合成骨髓mRNA。③骨髓染色质的DNA、组蛋白和非组蛋白在试管中重组后合成骨髓mRNA。④胸腺染色质的DNA、组蛋白和非组蛋白重组后合成胸腺mRNA。⑤骨髓DNA和组蛋白与胸腺DNA和组蛋白混合在一起，加入胸腺非组蛋白时，重组后合成胸腺mRNA，若加入骨髓非组蛋白，则重组后合成骨髓mRNA。4．DNA甲基化在DNA复制后，由甲基化酶将S-腺苷甲硫氨酸的甲基转移到胞嘧啶的5-C上完成对碱基的修饰，

甲基化位置上可阻止转录因子与DNA结合

越是活跃的基因其甲基化程度越低，越不活跃的基因甲基化程度越高在发育过程中，当某些基因表达完成后，DNA

的甲基化可能参与了基因的关闭过程。

5-氮胞苷培养小鼠成纤维细胞处于休止状态的基因被重新激活而进行表达，甚至可观察到一部分细胞中与肌肉细胞发育有关的激活而表达，细胞彼此发生融合而发育成肌肉细胞。5-氮胞苷进入细胞内转变为三磷酸5-氮胞苷，这种5-氮胞苷化的DNA由于不能被甲基化，结果使相关基因被重新激活

RNA多肽转录翻译DNA（去甲基化）（5-氮胞苷）甲基化1．核内RNA的选择加工如用海胆囊胚的mRNA制成的cDNA探针，分别与原肠胚、肠和体腔细胞hnRNA杂交，结合率高达80％，而与囊胚和肠细胞mRNA结合率则不同，前者为28％，后者仅为10％，说明不同组织中转录的hnRNA可以一致，但mRNA却不相同。二、转录后水平的调控

2．转录后初级产物RNA的加工

如从大鼠甲状腺和脑下垂体细胞分离得到的同一初级转录物，通过不同的剪切与加工，可产生2种不同的成熟mRNA。在甲状腺C细胞中编码降钙素，而在脑下垂体和多种神经细胞中，则编码降钙素基因相关蛋白。

3.专一mRNA的降解

如哺乳动物成红细胞（erythroblast）的分化过程中，早期细胞合成若干种mRNA，其中少量的珠蛋白mRNA被保留，但到后期最后几次细胞分裂时，只有珠蛋白mRNA保留下来，其他种类的mRNA均被降解。在黏菌发育过程中，如果黏菌在某一阶段停止发育，则会把准备用于下阶段的新mRNA降解。

基因表达过程中，一条合成的多肽链经翻译后加工产生多种不同活性的蛋白质或多肽。

如鸦片促黑皮质素(POMC)：结构上为ACTH，促黑素细胞激素(MSH)，内啡肽,脂酸动员激素(LPH)的前体。三、翻译后水平的调控（五）影响细胞分化的因素

一、细胞内因素

受精卵或动物早期胚胎细胞在分化过程中，因不同基因表达，产物不断加入细胞质，改变细胞质成分，使基因表达环境发生改