分子细胞生物学教学课件：Chapter18-细胞分化

1、第十七章 细胞分化和干细胞细胞分化（cell differentiation）：个体发育中，一种相同细胞类型经分裂后逐渐在形态、结构和功能上发生稳定性差异、产生不同的细胞类群的过程称为细胞分化。第一节 细胞分化的基本特征1、细胞分化发生形态、结构、功能 的差异2、差别基因表达 基因组中只有5-10%的基因表达，分成两类持家基因（house-keeping gene）：各种细胞中都表达的基因，其产物是维持细胞生存所必需的，如组蛋白、核糖体蛋白基因。奢侈基因（luxury gene）： 不同细胞类型特异性表达的基因，其产物赋予细胞特异的形态结构功能，如角蛋白基因、血红蛋白基因。果蝇幼虫的成虫盘和发

2、育命运3、分化方向的限定早于形态差异的出现 细胞决定（cell determination）：个体发育过程中，细胞在发生可识别的分化特征之前就已确定了未来的发育命运将向特定方向分化，称为细胞决定。4、细胞分化的有序性随着发育的进程，细胞分化潜能逐渐受限，全能性细胞多能性细胞单能性细胞终末分化细胞，变为形态、结构和功能特化的细胞 。具有分化潜能的细胞称为干细胞（stem cell）。全能性细胞多能性细胞单能性细胞终末分化细胞细胞分化可追踪出一定的细胞谱系关系。幼虫556个体细胞和2个原始生殖细胞。常见的雌雄同体成虫成熟后含有959个体细胞和2000个生殖细胞。较少见的雄虫只有1031个体细胞和1

3、000个生殖细胞。 人从受精卵发育为个体，共有1014 cells, 200多种类型。人的整个生命过程中都有细胞分化，但胚胎期是细胞分化的最典型、最重要时期。5、细胞生理状态随分化程度而不同细胞分化程度越高，细胞的生理活动变化越明显细胞分化程度与细胞增殖能力成反比细胞分化程度高对环境的反应性降低第二节 细胞的分化潜能细胞分化的规律： “全能” “多能” “单能” 个体发育中，细胞的分化潜能逐渐缩小分化机制： 早期的解释是错误的！认为体细胞染色体丢失，组织只保存自身特有的遗传物质，生殖细胞染色体不丢失。推翻这个错误观点的实验证据：1. 单个细胞可以培育成完整植株，表明植物细胞具有全能性 两栖类移

4、核实验1978年，童第周将黑斑蛙成体红细胞核移入去核卵，发育成蝌蚪1975年，Gurdon用非洲爪蟾皮肤细胞核进行核移植2. 动物细胞核具有全能性 哺乳类的移核实验：90年代前用胚胎细胞或胚胎干细胞的核， 克隆羊Dolly用的是成体乳腺上皮细胞核移核实验证明了：已分化的胚胎细胞的核及高度分化的体细胞的核都具有全能性，仍保持着全套的基因组。 3. 分子实验证据 小鼠胚胎细胞DNA与成年小鼠脑、肾、胸腺、脾、肝等不同组织DNA杂交，结合率和结合量一样 。 枯草杆菌的DNA与小鼠胚胎DNA不结合， 细胞融合启动核基因的表达大鼠肝肿瘤细胞 + 小鼠成纤维细胞杂交融合细胞（合成大鼠肝细胞特有蛋白：白蛋白

5、、醛缩酶、酪氨酸氨基转移酶，还能合成小鼠的这三种酶） 说明：小鼠成纤维细胞中存在肝细胞专一表达基因，在特定条件下（融入了肝细胞质，这些在成纤维细胞中“闲置”的基因被启动表达）细胞的全能性(totipotency)：单个细胞在一定条件下分化发育成为完整个体的能力称为细胞的全能性。受精卵、哺乳类早期胚胎（ 8细胞期前）的每个细胞、植物体细胞都有全能性。细胞核的全能性是指基因组而言，而不是遗传物质和核结构。 总结：随着体细胞分化程度的提高，分化潜能逐渐缩小，每种细胞只有小部分基因表达，合成该种细胞特有的一组RNA和蛋白质，但是各种细胞中的基因组是等值的，即分化细胞中不表达的基因仍然存在，保持着重新启

6、动表达的潜能。第三节 干细胞干细胞（stem cell）：具有自我更新能力并能分化产生一种或多种分化细胞的细胞。一、根据分化潜能来分,有三种类型全能性干细胞Totipotent stem cell多能性干细胞Pluripotent stem cell单能性干细胞Unipotent stem cell全能性干细胞：细胞能自我更新且具有分化为个体各种细胞类型的潜能多能性干细胞：细胞能自我更新且具有分化成多种细胞类型的潜能。单能性干细胞，祖细胞（progenitor）：来源于多能干细胞，具有向一种类型或密切相关的两种类型细胞分化的能力的细胞，也称为祖细胞（progenitor）；如神经干细胞、上皮基

7、底层干细胞等。淋巴细胞 血小板 巨噬细胞 粒细胞 红细胞骨髓细胞淋巴细胞多能造血干细胞胚胎干细胞的获得：体外受精， 3-5 天后，胚胎细胞数大约200个，形成了胚泡 “blastocyst”，干细胞可从内胚团中获取。二、根据发育阶段分： 胚胎干细胞 (Embryonic stem cell, ES cell) 成体干细胞培养的胚胎干细胞具有多能性，有医学价值成体干细胞：各组织均有干细胞，为成体干细胞，它们的增殖补充损耗的细胞。成体干细胞有皮肤干细胞，肠干细胞，神经干细胞，生殖干细胞，造血干细胞，肾干细胞等。干细胞巢(niche): 干细胞周围的微环境, niche中有细胞外基质和间质细胞，与干

8、细胞相互作用，控制干细胞的更新和分化。干细胞的特征：终生保持未分化或低分化特征，具有分化潜能。具有自我更新能力，能分裂增殖，体外具有克隆形成能力。分裂具有慢周期性，可行不对称分裂。在机体的中的数目、位置相对恒定。表皮干细胞 表皮基底层除表皮干细胞外还有过渡增殖细胞（transit amplifying cell）诱导多能干细胞 induced pluripotent stem(iPS) 用人皮肤成纤维细胞导入Oct4，Sox2等4种转录因子后产生诱导多能干细胞，在增殖能力、表面抗原、端粒酶活性、基因表达上都与ES相同。有望代替胚胎干细胞。还需探索，因为植入小鼠体内后出现各种组织的畸胎瘤 肠上皮

9、成体干细胞生殖干细胞第四节 细胞分化的调控机制细胞分化的本质：分化细胞的细胞核含有物种的全部基因， 分化细胞选择性地表达了部分基因(5-10%)证据：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 红细胞 胰岛输卵管 红细胞 胰岛卵清蛋白基因 珠蛋白基因 胰岛素基因 实验 Southern-blot Northern-blot证明了：同种个体的不同组织细胞里DNA含有所有基因，但不同组织细胞转录的基因不同一、特异基因转录的调控原理调控基因转录，主要调控RNA合成的起始真核细胞的转录调控:真核生物RNA-pol 不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子形成转录前起始复合物

10、。转录起始点TATA盒CAAT盒GC盒 增强子调控区 基因包括编码区和调控区AATAAA外显子 内含子 编码区：结构基因调控区，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。辅激活物通用转录因子：是RNA聚合酶转录所必须的，包括TFA， TFB ，TFD等特异转录因子：调节转录效率的(激活物)特异基因的转录调控原理氢化可的松糖皮质激素受体细胞内受体与类固醇激素信号分子调控基因转录的图示 二、细胞分化的几种转录水平调节模式 1、基因连锁激活组织专一性基因的转录 2、转录因子的组合调控 3、造血系统细胞分化的等级调节1、基因连锁激活组织专一性基因的转录骨骼肌细胞的

11、分化由外来信号促使生肌基因家族先后被连锁激活。 2、转录因子的组合调控多种转录因子以不同的组合调节不同的专一基因表达，产生不同的分化细胞，这种调控称为组合调控。在启动分化的一组转录因子中，有一两种是起决定作用的。这种关键转录因子可诱导细胞向一定方向分化，但要配合其它的调节蛋白的存在才能发挥作用。MyoD可以使体外培养的结缔组织成纤维细胞分化成肌细胞样细胞，但不能使其他类型细胞分化成肌肉细胞。这说明成纤维细胞已具备了肌肉专一基因表达所需的调节因子，只欠myoD3、造血系统细胞分化的等级调控多能造血干细胞逐级形成8个细胞谱系 集落刺激因子对血细胞分化的影响红细胞终末分化时，不同发育阶段和不同部位调

12、控血红蛋白基因的转录 DNA甲基化的转录调控在胞嘧啶的5-C位上常发生甲基化，甲基化易使活化的基因关闭。实验发现非活跃转录基因的DNA甲基化程度普遍高于活跃转录的基因。 甲基化作用通过两种方式抑制转录：一是通过干扰转录因子对DNA结合位点的识别二是将转录因子识别的DNA序列转换为转录阻抑物的结合位点。三、差别基因表达的转录后调控1、hnRNA（heterogeneous nuclear RNA）有的加工成mRNA、有的没有加工成或被降解2、hnRNA的选择性剪接，产生一套结构相关、功能相似的蛋白质。3、mRNA的降解哺乳动物红细胞只有血红蛋白mRNA保留下来，其它种mRNA被降解真核mRNA前

13、体转录后加工(以卵清蛋白mRNA的转录为例)外显子内含子53 第五节 卵细胞质影响细胞分化一、受精卵细胞质的不均一性受精卵的细胞质不只是提供营养物质，还影响细胞分化极叶物质含诱导D细胞分化为中胚层的决定子 1、性细胞决定子：果蝇成虫盘后端的细胞核与极质形成将来的生殖细胞二、细胞质决定子决定子：卵和胚胎细胞中所含的蛋白质和RNA性质的细胞质因子，影响着细胞的分化方向。秀丽隐杆线虫的生殖细胞决定子：P颗粒 2. 细胞的不对称分裂：两个子细胞继承了不同的细胞质成分，分化成不同类型细胞第六节 再生与去分化再生：成体失去组织或器官后重新生长和修复的过程 植物再生能力最强 无脊椎动物再生能力强 (海星、海

14、鞘、水螅) 脊椎动物再生能力较弱 有尾两栖类 (蝾螈晶状体的再生) 哺乳类：器官再生晶状体切除后由虹膜色素上皮再生出新的晶状体 一、再生的过程是去分化和再分化去分化：分化细胞失去分化特性，重新进入未分化状态转分化：去分化细胞再分化变为另一种分化细胞的变化过程。两栖类肢体再生过程：肢体切除表皮细胞封闭伤口（顶帽）顶帽下方骨细胞、成纤维细胞、肌细胞、神经细胞去分化，形成再生胚芽胚芽细胞增殖分化形成新的肢体 去分化的机制：视黄酸的作用 是表皮细胞顶帽中合成的形态发生素，可激活msx1和Hoxa基因，与再生胚芽的形成有关Rb蛋白失活 顶帽的表皮和神经分泌生长因子，通过信号传递，激活G1-CDK，G1/S-CDK，二者磷酸化Rb，释放转录因子，激活细胞分裂基因神经对胚芽的支持作用：胚芽的生长需要神经的存在，神经细胞提供生长因子 肿瘤细胞相对正常细胞比是低分化或去分化细胞肿瘤的去分化现象： 已知肿瘤细胞中表达的胎儿同功酶达20余种。胎儿甲种球蛋白（甲胎蛋白）是胎儿所特有的。但在肝癌细胞中表达，因此可做肝癌早期检定的标志特征。 未分化细胞增殖过剩导致肿瘤例如：急性早幼粒细胞性白血病（APL）患者15号染色体上的早幼粒细胞