细胞生物学细胞分化

1、第十二章第十二章细胞分化细胞分化 human: 1014 cells, 200 cell types 由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程称细胞类群的过程称为细胞分化。为细胞分化。细胞分化细胞分化 cell differentiation 上皮组织上皮组织 肌肉组织肌肉组织神经组织神经组织 结缔组织结缔组织细胞分化在胚胎时期细胞分化在胚胎时期达到最大限度达到最大限度细胞分化是基因选择性表达的结果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分

2、子杂交技术检测基因及其表达 如鸡的输卵管细胞合成卵清蛋白卵清蛋白，成红细胞合成-珠蛋白，胰岛细胞合成胰岛素胰岛素，这些细胞都是在个体发育中逐渐产生的。用上述三种蛋白的基因分别作探针上述三种蛋白的基因分别作探针，对三种细胞中提取的总dna的限制性酶切片段进行southern杂交实验。 细细 胞胞 总总d n a 细细 胞胞 总总r n a 输输 卵卵 管管 细细 胞胞 成成 红红 细细 胞胞 胰胰 岛岛 细细 胞胞 输输 卵卵 管管 细细 胞胞 成成 红红 细细 胞胞 胰胰 岛岛 细细 胞胞 卵卵 清清 蛋蛋 白白 基基 因因 + + + + - - - - - -珠珠 蛋蛋 白白 基基 因因

3、+ + + - - + - - 胰胰 岛岛 素素 基基 因因 + + + - - - - + 实实 验验 方方 法法 southern杂杂 交交 n orthern杂杂 交交 管家基因是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物管家基因是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的；是对维持细胞基本生命活动所必需的； 管家基因管家基因(house-keeping genes)： 或称奢侈基因或称奢侈基因(luxury genes)，是指不同的细胞类型，是指不同的细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结

4、构特征与特异的功能。的形态结构特征与特异的功能。 组织特异性基因组织特异性基因(tissue-specific genes)产物用于调节组织特异性基因的表达，起激活或者起阻产物用于调节组织特异性基因的表达，起激活或者起阻遏作用。遏作用。调节基因：调节基因：组合调控概念：组合调控概念：有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化引发组织特异性基因的表达引发组织特异性基因的表达分化分化启动机制：启动机制： 在启动细胞分化的各类调节蛋白组合中，其中往往是只在启动细胞分化的各类调节蛋白组合中，其中往往是只有一两种调控蛋白是起决定性的因子。这样，单

5、一调控蛋白有一两种调控蛋白是起决定性的因子。这样，单一调控蛋白就有可能启动整个的细胞分化过程。就有可能启动整个的细胞分化过程。体外培养的来自皮肤结缔组织的成纤维细胞体外培养的来自皮肤结缔组织的成纤维细胞转入关键性调控蛋白转入关键性调控蛋白myod皮肤结缔组织的成纤维细胞表现出骨骼肌细胞的特征皮肤结缔组织的成纤维细胞表现出骨骼肌细胞的特征: :如表达大量的肌动蛋白和肌球蛋白构成收缩器，并融合成如表达大量的肌动蛋白和肌球蛋白构成收缩器，并融合成肌细胞样的多核细胞等。肌细胞样的多核细胞等。 借助于组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与借助于组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与其它调控蛋白形成适当的

6、调控蛋白组合，不仅可以将一其它调控蛋白形成适当的调控蛋白组合，不仅可以将一种类型的细胞转化成另一种类型的细胞，而且遵循类似种类型的细胞转化成另一种类型的细胞，而且遵循类似的机制，甚至可以诱发整个器官的形成的机制，甚至可以诱发整个器官的形成。ey蛋白除了能启动细胞某些特异基因的表达，诱导某类分化外，其启动的某些基因本身可能又是另一些基因调节蛋白，它们进一步启动其他特异基因表达，诱导分化更多的细胞类型，形成由多种不同类型细胞组成的有序三维群体即导致器官形成。果蝇果蝇eyey基因转入基因转入第三节第三节 影响细胞分化的因素影响细胞分化的因素 是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能是指细胞经

7、分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。或特性。 细胞的全能性细胞的全能性(totipotency)：动物细胞的全能性动物细胞的全能性如蛙如蛙skin细胞核移植后发育成蝌蚪细胞核移植后发育成蝌蚪dolly羊的诞生说明高度分化的哺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乳动物体细胞核也具有发育全能性dolly: a lamb with no father 细胞核始终保持其分化的全能细胞核始终保持其分化的全能 胚胎干细胞胚胎干细胞（embryonic stem cell,esembryonic stem cell,es细胞）细胞） 指从指从着着床前的内细胞团床前的内细胞团获得的

8、一种具有多潜能性、获得的一种具有多潜能性、可发育成为各种细胞可发育成为各种细胞、同时可保持不分化状态而持续生长的克隆细胞系。同时可保持不分化状态而持续生长的克隆细胞系。( 胚胎) 滋养层a.取自终止妊娠的胎儿的性器官组织。 人胚胎干细胞的来源人胚胎干细胞的来源b.取自体外受精胚胎囊胚期内层细胞。c.c.通过体细胞核转移技术获得通过体细胞核转移技术获得胚泡受精后第受精后第 3.5 3.5 天的囊胚天的囊胚骨髓多能造血干细胞，它可分化出十二种血细胞，但不能分化出造血系统以外的其它细胞。多能干细胞（多能干细胞（stem cell） 动物细胞随着胚胎的发育，细胞丧失了发育成个体的能力，仅具动物细胞随着

9、胚胎的发育，细胞丧失了发育成个体的能力，仅具有分化成有限细胞类型及构建组织的潜能，这种潜能称为多潜能性。有分化成有限细胞类型及构建组织的潜能，这种潜能称为多潜能性。具有多潜能性的细胞称为多能干细胞。具有多潜能性的细胞称为多能干细胞。单能干细胞单能干细胞 monopotential stem cell终末分化终末分化:由定向干细胞最终形成特化细胞类型的过程由定向干细胞最终形成特化细胞类型的过程。 只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化。如上只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化。如上皮组织基底层的干细胞。皮组织基底层的干细胞。 从全能性到多能性，再到单能性，最后失去分化潜能从全能性到

10、多能性，再到单能性，最后失去分化潜能成为成熟定型的细胞。成为成熟定型的细胞。可以定义为一类具有分裂和分化能力的细胞。可以定义为一类具有分裂和分化能力的细胞。干细胞干细胞1胞外信号分子对细胞分化的影响胞外信号分子对细胞分化的影响 （二）影响细胞分化的因素（二）影响细胞分化的因素胚胎诱导胚胎诱导: :早期胚胎发育过程中，一部分细胞会影响周围细胞早期胚胎发育过程中，一部分细胞会影响周围细胞使其向一定方向分化，这种作用称近端组织的相互作用，也使其向一定方向分化，这种作用称近端组织的相互作用，也称为胚胎诱导。称为胚胎诱导。近端组织的相互作用是通过细近端组织的相互作用是通过细胞旁分泌产生的信号分子旁泌胞旁

11、分泌产生的信号分子旁泌素（又称细胞生长分化因子）素（又称细胞生长分化因子）来实现的。来实现的。 眼的发生中本身的逐级诱导过程眼的发生中本身的逐级诱导过程。正常情况下，早期的视泡诱导与之接触的外胚层上皮细胞发育成晶状体，随后在视泡和晶状体的共同诱导下外面的表皮细胞形成角膜。如果把早期的视泡移植在头部的其它部位，也可诱导与之接触的外胚层发育成晶状体。例证 这种作用出现在发育的晚期这种作用出现在发育的晚期, ,激素引起的反应是按预激素引起的反应是按预先决定的分化程序进行的先决定的分化程序进行的, ,其作用主要是引起靶细胞进行其作用主要是引起靶细胞进行分化。分化。 例如无尾两栖类的幼体发育要经过一变态

12、阶段例如无尾两栖类的幼体发育要经过一变态阶段, ,在此在此阶段中发生的变化有蝌蚪的尾鳍和尾部被吸收阶段中发生的变化有蝌蚪的尾鳍和尾部被吸收, ,前后肢形前后肢形成等。这些变化与甲状腺分泌的甲状腺素有关系。成等。这些变化与甲状腺分泌的甲状腺素有关系。远距离细胞间相互作用对细胞分化的影响主要是通过远距离细胞间相互作用对细胞分化的影响主要是通过激素激素来调节的来调节的 例如例如果蝇成虫盘果蝇成虫盘的移植实验。的移植实验。果蝇成虫盘是幼虫体内的果蝇成虫盘是幼虫体内的未分化未分化的细胞团，决定成虫的腿、翅、的细胞团，决定成虫的腿、翅、触角和躯体的其他结构。触角和躯体的其他结构。将幼虫的成虫盘一部分进行移

13、植实验将幼虫的成虫盘一部分进行移植实验 ： 移植到另一幼虫体内移植到另一幼虫体内按决定方向发育分化。按决定方向发育分化。成虫盘移植到成虫体内成虫盘移植到成虫体内-果蝇腹腔不断增殖保持未分化状态，时间长果蝇腹腔不断增殖保持未分化状态，时间长达达9年，繁殖年，繁殖1800代后，再取出移植到幼虫体内，当幼虫变态时，代后，再取出移植到幼虫体内，当幼虫变态时，被移植的成虫盘细胞仍发育成相应结构被移植的成虫盘细胞仍发育成相应结构2. 细胞决定的稳定性和遗传性细胞决定的稳定性和遗传性是指一个细胞接受了某种指令，在发育中这一细胞及是指一个细胞接受了某种指令，在发育中这一细胞及其子代细胞将区别于其它细胞而分化成

14、某种特定的细胞类型，其子代细胞将区别于其它细胞而分化成某种特定的细胞类型，或者说在形态、结构与功能等分化特征尚未显现之前就已确或者说在形态、结构与功能等分化特征尚未显现之前就已确定了细胞的分化命运。定了细胞的分化命运。动物卵细胞中贮存有大量动物卵细胞中贮存有大量mrnamrna，呈非，呈非均匀分布；均匀分布；细胞分裂时胞质不均等分配，子细胞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。所得胞质成分不完全相同。 细胞所处的位置不同对细胞分化的命运也有明显的影响。细胞所处的位置不同对细胞分化的命运也有明显的影响。实验证明，改变细胞所处的位置可导致细胞分化方向的改变，实验证明，改变细胞所处

15、的位置可导致细胞分化方向的改变，这种现象称位置效应。这种现象称位置效应。“位置信息位置信息”是产生效应主要原因。是产生效应主要原因。 所谓位置信息，即各细胞群或组织，接受所处的空间位置所谓位置信息，即各细胞群或组织，接受所处的空间位置的发育指令。的发育指令。 其中典型的例子是许多爬行动物，如蜥蜴类的其中典型的例子是许多爬行动物，如蜥蜴类的a.agama，e.macularius，它们在较低温度条件下（，它们在较低温度条件下（24度）全部发育为雌度）全部发育为雌性，而温度提高（性，而温度提高（32度）则全部发育为雄性。龟类的度）则全部发育为雄性。龟类的t.graetta，c.caretta又出现

16、相反的情况，即在较低温度条件下全部发育为又出现相反的情况，即在较低温度条件下全部发育为雄性，而温度提高则全部发育为雌性。雄性，而温度提高则全部发育为雌性。 另外，有一种蜗牛类的软体动物另外，有一种蜗牛类的软体动物crepidula，它们的性别，它们的性别决定取决于个体间的相互位置关系，在它们形成的上下相互叠决定取决于个体间的相互位置关系，在它们形成的上下相互叠压的群体中，位于下方的个体发育为雌性，而位于上方的个体压的群体中，位于下方的个体发育为雌性，而位于上方的个体发育为雄性。人们对于环境影响性别的机制还不清楚发育为雄性。人们对于环境影响性别的机制还不清楚.癌细胞（癌细胞（cancer cel

17、l）肿瘤（肿瘤（tumor）在致瘤因素作用下，细胞在基因水平上失去对）在致瘤因素作用下，细胞在基因水平上失去对其生长的正常调控，导致异常增生。其生长的正常调控，导致异常增生。良性肿瘤：生长缓慢，与周围组织边界明显。良性肿瘤：生长缓慢，与周围组织边界明显。恶性肿瘤：癌症恶性肿瘤：癌症( (cancer) )，生长快、具有迁移性。，生长快、具有迁移性。肿瘤组织由实质和间质两部分构成，实质是肿瘤细胞，间质肿瘤组织由实质和间质两部分构成，实质是肿瘤细胞，间质由结缔组织和血管组成。由结缔组织和血管组成。第一节 癌细胞的主要特征hela cancer cells1.1.细胞生长与分裂失去控制，具有无限增殖

18、能力。细胞生长与分裂失去控制，具有无限增殖能力。2.2.具有浸润性和扩散性，癌细胞失去与细胞间和细胞外基质间具有浸润性和扩散性，癌细胞失去与细胞间和细胞外基质间的连接，易于从肿瘤上脱落。许多癌细胞具有变形运动能力，的连接，易于从肿瘤上脱落。许多癌细胞具有变形运动能力，并且能产生酶类，使血管基底层和结缔组织穿孔，使它向其它并且能产生酶类，使血管基底层和结缔组织穿孔，使它向其它组织迁移。组织迁移。3.细胞间相互作用改变细胞间相互作用改变-接触抑制丧失和锚定依赖性丧失5.染色体非整倍性染色体非整倍性4. mrna的表达谱及蛋白活性改变的表达谱及蛋白活性改变 在分化程度上癌细胞低于良性肿瘤细胞，且失去

19、了许多原组织细在分化程度上癌细胞低于良性肿瘤细胞，且失去了许多原组织细胞的结构和功能。常表达一些胚胎细胞表达的蛋白。胞的结构和功能。常表达一些胚胎细胞表达的蛋白。pancreas cancer癌症产生是基因突变积累和自然选择的结果癌症产生是基因突变积累和自然选择的结果癌症主要是体细胞突变产生的遗传病，涉及到两大类与细癌症主要是体细胞突变产生的遗传病，涉及到两大类与细胞增殖相关的基因的突变。胞增殖相关的基因的突变。1. 原癌基因（原癌基因（proto-oncogene）： 是细胞的正常基因，它们编码的蛋白质是细胞的正常基因，它们编码的蛋白质是维持是维持正正常细胞常细胞生命活动所必须的，生命活动所

20、必须的，通常参与细胞的生长与增通常参与细胞的生长与增殖的调节。原癌基因突变后成为促癌的殖的调节。原癌基因突变后成为促癌的癌基因癌基因，导致，导致细胞癌变细胞癌变，也称为，也称为细胞癌基因细胞癌基因(cellular oncogene，c-onc)。第二节第二节 癌基因与抑癌基因癌基因与抑癌基因1.生长因子生长因子2.生长因子受体生长因子受体3.信号转导组分信号转导组分4.细胞凋亡调节蛋白细胞凋亡调节蛋白5.转录因子转录因子 有些癌基因编码活性过度的受体或活性过强的细胞内信号转有些癌基因编码活性过度的受体或活性过强的细胞内信号转导蛋白，它们可在没有外源信号的情况下促使细胞过度增殖而癌导蛋白，它们

21、可在没有外源信号的情况下促使细胞过度增殖而癌变变.: gain-of-function mutationsbcl-2 oncogene: prevent apoptosisras oncogene: retain bind gtp2.抑癌基因抑癌基因 是一类抑制细胞过度生长、增殖从而遏制肿瘤形成的是一类抑制细胞过度生长、增殖从而遏制肿瘤形成的基因，也称为抗癌基因。基因，也称为抗癌基因。抑癌基因抑癌基因的丢失或失活可能导致的丢失或失活可能导致肿瘤发生。肿瘤发生。 抑癌基因的产物抑癌基因的产物：转录调节因子，如转录调节因子，如rbrb、p53p53，负调控转录因子，如负调控转录因子，如wtwt，周

22、期蛋白依赖性激酶抑制因子（周期蛋白依赖性激酶抑制因子（ckicki），如），如p15p15、p21p21信号通路的抑制因子，如信号通路的抑制因子，如ras gtpras gtp酶活化蛋白酶活化蛋白gapgap dna dna修复因子，如修复因子，如brca1brca1、brca2brca2rb基因即成视网膜细胞瘤基因，为视网膜母细胞瘤易感基因，基因转录产物约4.7kb，产物为928个氨基酸组成的蛋白质分布于核内，是一类dna结合蛋白。rb蛋白的磷酸化去磷酸化是其调节细胞生长分化的主要形式，在细胞周期的g。、g1期，它表现为去磷酸化，在g。、s、m期则处于磷酸化状态。rb基因基因 (retinoblastoma gene)抑癌基因的突变是隐性的。rb bind with e2f tra