《细胞生物学》课件第13章+细胞分化

1、第十三章 细胞分化 本章内容：细胞分化潜能与干细胞细胞分化与基因组变化 基因表达与组织形成特异性蛋白基因表达的发育阶段性 基因表达的调控机制 影响细胞分化的因素 指多细胞生物成长发育中，在一些内在机制作用下，细胞在结构、形态、生理功能及生化特征等方面逐渐产生稳定性差异，成为多种不同的细胞类型，以形成个体不同的组织、器官和系统。 一、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。 干细胞干细胞有两方面区别于其它细胞的特征： 1. 可分化

2、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：胚胎干细胞及成体干细胞。 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。成体干细胞：特定组织中的非特异性细胞，能无限制地分裂和自我更新。所产生的子细胞有两种结果：一是保持亲代特性，仍作为干细胞；二是不可逆地向终末方向发展，成为一至几种类型的特定细胞。 干细胞命运各不相同，但分化机制相似：调控基因指导特异性基因的转录及特定蛋白质的合成，从而细胞逐步发展为具有专门功能的特定细

3、胞类型。 同样，干细胞也对邻近细胞的生长信号发生反应，导致特定基因活化及相应蛋白质合成，参与细胞分化、运动、或与其它细胞作用以形成组织。1970年Martin Evans首次从小鼠胚囊中分离出小鼠胚胎干细胞。原被误认为是功能单一的干细胞，后被证实具有自我复制能力，可分化为所有组织器官的原始细胞；1998年在人胚囊内层细胞分离出人的胚胎干细胞，目前通过核移植技术获得人胚胎干细胞。 干细胞具有的能够稳定生存增殖并保持多向分化潜能的特性使其在遗传性疾病和组织器官移植领域有巨大的应用前景。 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

4、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2-5万种不同的mRNA，专供受精卵的启动、分化和发育之用。卵细胞中的蛋白质、mRNA并非均匀分布的，而是定位于特定的空间。卵的异质性使卵的分裂必然是不对称的，不同的子细胞得到的“家产”不同，因此具有不同的分化命运。 1、胚胎诱导 (embryonic induction) ：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

5、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。2、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。3、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。Myostain对肌肉生长的负调控 4、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。5、激素的作用如昆虫的保幼激素和褪皮激素。

6、1、染色体结构的变化 1）基因删除：原生动物、昆虫、甲壳动物； 2）基因扩增：果蝇多线染色体； 3）基因重排：免疫球蛋白基因（106-108种抗体）； 4）DNA的甲基化与异染色质化：胞嘧啶的甲基化使基因失活。（三）细胞核与细胞分化2、基因与细胞分化 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：母体基因间隙基因成对基因体节极性基因同源异形基因（homeotic gene，Hox）Gene

7、and Development母体基因间隙基因成对基因体节极性基因同源异形基因 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。 3 奢侈基因与管家基因 奢侈基因 (luxury gene)：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 (house keeping gene)：这类基因的表达产物是细胞生命活动不可或缺的，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

8、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。 分子杂交技术检测基因及其表达（四）分化细胞的基因表达特征1. 基因组成熟分化的细胞保留着全部核基因组。 相关实验： 1964年Gurdon等进行的非洲爪蟾实验 1970年Steward等用悬浮培养的胡萝卜单个 细胞培养成可育的胡萝卜植株 1997年英国学者克隆出 “多莉”羊 J.Gurdon 1964爪蟾蝌蚪的肠上皮细胞 核移植去核卵细胞未受精卵UV肠上皮细胞核1-2%发育至蝌蚪或蛙无结果畸胎悬浮培养

9、的胡萝卜单细胞培养成了可育植株（Steward, 1970年）Dolly的标本和伊恩博士Dolly：1996.7.5. 世界上第一只克隆羊Dolly由英国爱丁堡大学的伊恩博士研制成功，2003.2.14. 由于肺结核而被安乐死，它的标本于2003年4月9日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。 多莉的出生与三只母羊有关，而多莉与提供细胞核的母羊最相似 。遗传信息来自哪里？这些实验说明：-即使是终末分化细胞，其细胞核同样也包含全部的遗传信息，即具有发育为完整个体的“全能性”。细胞的全能性: 指已分化的细胞仍具有发育成完整个体的能力。当精子及卵子结合，来自父代及母代的基因即发生组合，形成发育为一个完整

10、个体所需的基因组。分化进程中，细胞有选择地启动某些基因并合成其它类型的细胞所不具备的蛋白质，以构成该种特定细胞的结构，产物及功能的基础。 如肌肉细胞发育的原肠胚形成阶段，整个胚胎细胞都能合成肌球蛋白，但原肠期以后，合成肌球蛋白的细胞仅局限于心区，而其他部位的细胞则被抑制。 分化中为何出现动物细胞表型的差异? 这是细胞各自表达特异性基因的结果。一些胚胎细胞按其遗传潜能来说都是“全能”的，但其携带的遗传信息在发育过程中并不都能表达，而是按严格的时空顺序有选择地表达其中一部分。 2. 基因表达的阶段特异性（时）及组织特异性（空） 指特定基因的表达按照严格的时间顺序发生。同时，同一基因产物在不同的组织

11、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(differential expression)或顺序表达 (sequential expression)。 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。 3. 特异蛋白的选择性基因表达主要在转录水平进行DNARNA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

12、有区别，在不同的发育阶段也有明显变化。果蝇多线染色体 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。4. 特异基因的阶段性表达三、组织形成中的基因表达（一）动物及人体的基本组织类型 包括四类 1上皮组织：来源于外胚层，如皮肤表层； 2结缔组织：由中胚层产生的，分布在表皮之内各 器官组织

13、之间，如韧带、纤维、血浆； 3肌肉组织：来自中胚层，又有平滑肌、骨胳肌和 心肌，主要组分是肌原纤维； 4神经组织：来自外胚层，由神经元和神经胶质细 胞组成。 （二）哺乳动物骨骼肌发育中的基因调节骨骼肌细胞发育包括3个阶段：1. 由胚胎的体节细胞出现细胞决定（分化方向）， 并分化为成肌细胞；2. 成肌细胞向胚胎肢芽迁移并保持增殖能力；3. 成肌细胞停止分裂，彼此融合成多核体细胞（或 肌管），伴随细胞融合的出现，对骨骼肌发育 及其功能有关的各种肌细胞特异基因的表达使其 分化为成熟的骨骼肌细胞。骨骼肌细胞发育程序包括3个阶段已鉴定出4种控制骨骼肌细胞发育的基因：myoD、myf 5、myogenin

14、及mrf4，分别表达相应的myoD、myf 5、myogenin及mrf 4蛋白，统称为myoD家族蛋白。这些蛋白均具有碱性螺旋-环螺旋（bHLH）结构，属DNA结合蛋白并行使转录因子的功能。 基因 表型 myoD家族敲除 存活 成肌细胞 肌细胞 蛋白功能myoD 能 + + 不详myf 5 能 + + 不详myoD、myf 5 否 - - 成肌细胞形成必须myogenin 否 + - 成肌细胞向肌细 胞分化所必须 表1 myoD 家族基因敲除对小鼠 骨骼肌细胞分化发育的影响从体节细胞分化为成肌细胞时需myoD和myf 5两种蛋白； myogenin蛋白对成肌细胞融合并分化为成熟的骨骼肌细胞必

15、不可少。 （三）神经发生的调节 神经系统：外胚层神经管和神经嵴，神经管脑、脊髓及视网膜在内的中枢神经系统;神经嵴周围神经系统。AS-c含4种基因achaete (ac)、scute (sc)、Lethal of scute (L-sc)及asense (a)，产物均为HLH蛋白。ac及sc两种基因在神经原细胞中表达，使其向神经前体细胞方向分化。发育至神经前体细胞时，ac及sc停止表达，a及其他有关基因开始表达并导致神经元分化。 神经元细胞分化过程中的基因表达神经原细胞神经前体细胞acaL-scscac及sc的表达受另两种基因daughterless (da)及 extramachrochaet

16、e (emc)的调节，da及emc产物亦为bHLH蛋白，均可与ac及sc蛋白结合成异二聚体，前者通过调节转录促进神经原细胞向神经前体细胞分化，而后者则起抑制作用。Notch 和Delta蛋白抑制ac及sc基因的表达，并阻止向神经前体细胞方向分化。 神经元细胞分化过程中的基因表达调节神经原细胞神经前体细胞acaL-scscda (+)emc(-)Notch(-)Delta(-)（四）组合调控对特异性蛋白基因表达的调节 组合调控（combinatorial control）是指一组基因调节蛋白共同协调地决定对某一基因表达的调节方式。 组合调控可使细胞分化成特定的细胞类型若将MyoD基因引入，取自鸡

17、胚皮肤的体外培养的成纤维细胞出现成肌细胞的特征，并融合成多核肌肉样细胞，表达肌动蛋白、肌球蛋白并组成收缩装置，质膜产生受体蛋白及离子通道蛋白，接受来自神经的刺激。但若将MyoD基因引入非成纤维细胞细胞不转变为肌肉样细胞，说明成纤维细胞中已积累了其他必需的基因调节蛋白，在加入MyoD蛋白后，能完成特异的基因调节蛋白的组合，从而启动肌肉细胞的分化。 组合调控在特定器官的发育中也起调节作用。 眼发育中，一种关键性基因调节蛋白（果蝇称为Ey）能决定眼的发育。若将Ey基因人为引入将要发育成腿的果蝇细胞，在腿部表达Ey蛋白的细胞发育成果蝇眼。提示Ey蛋白与一些基因调控区的结合位点结合后，通过组合调控直接调

18、节这些基因的表达。 因而，通过一组基因调节蛋白的组合调控，共同协调地决定对某一基因表达。四、细胞分化中基因表达的调控（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2106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。2DNA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

19、录过程的因素是非组蛋白质。 恒定区可变区重链轻链4DNA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。小鼠成纤维细胞 （5-氮胞苷）培养，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

20、重新激活。RNA多肽转录翻译DNA（去甲基化）（5-氮胞苷）甲基化（二）转录后水平的调控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nRNA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nRNA可以一致，但mRNA却不相同。 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（e

21、rythroblast）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。 （三）翻译水平的调控 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。 （四）影响细胞分化的因素 1. 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变，细胞质反作用于细胞核，又使核内基因表达状态不断受到调节，细胞不断分化，发育，成熟，直至产生各种不同类型的细胞。 2. 细胞外因素 影响细胞分化的细胞外因素，包括环境因素，胞外物质（细胞的基质、黏附分子、细胞因子、激素等），以及细胞之间的相互作用。 1）环境因素 环境多种因素对机体的发育有一定的影响，如温度，光线等，这些因素可能是造成第一次不等卵裂，从而影响细胞分化的原因之一。 如豚鼠的孕期为68d，