细胞分化(新版2011年)课件

1、第十章 细胞分化一、细胞分化的概念多细胞生物由受精卵开始发育，经过反复的有丝分裂，同时这些多细胞各自向不同的方向发育，循一定的变化规律、进行增殖、分化、凋亡和生长，并构成机体的各种组织和器官。它们各自在发育过程中在形态、结构和生理功能上都产生了差异，而这一过程被称为细胞分化（cell differentiation）。二、细胞分化的特点：细胞分化具备稳定性 细胞分化中可产生转分化和去分化 细胞分化具有时间性和空间性 生物体普遍存在细胞分化细胞分化具备稳定性： 在胚胎期间，细胞表达的基因在出生前按时间顺序关闭。 在一般情况下，已经分化形成某一种特异的、稳定类型的细胞不可能逆转为未分化状态或者成为

2、其它类型的分化细胞。 细胞分化一旦启动，诱导分化的因子不存在时，分化仍可继续进行，并具有稳定性。 去分化与转分化 在某些条件下，分化细胞也不稳定，其基因的活动模式可发生可逆的变化，又回到未分化的状态，这一过程被称为去分化（dedifferentiation），即细胞又具有了全能性。 细胞在发生去分化后，可再分化成另一种细胞，这一现象为转分化（transdifferentiation）。生物体普遍存在细胞分化 细胞分化是一个普遍的生命现象，整个个体发生中都存在着细胞的分化活动，而胚胎期是一个重要的细胞分化时期。在此期细胞分化异常迅速。如胚胎期各种组织器官的形成。三、细胞分化的潜能（一）细胞的全能

3、性：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（totipotency）。具有这种能力的细胞称为全能性细胞（totipotent cell)（二）干细胞在胚胎发育过程中，胚胎细胞的分化潜能越来越小，细胞变得只有一种固定的发育途径，多数分化成为具有专能的终末细胞。动物出生后，一般不再可能分化出不同类型的细胞。通过增加细胞数目的方式来增加体积。多数脊椎动物的分化细胞群不是永久不变的，而是需要经常更新的。如皮肤、血液、小肠上皮组织的细胞寿命较短，需要有更新细胞不断代替死亡细胞，以维持生物总体组织结构的稳定性。成体细胞更新的方式在成年机体生命活动期间，产生新的分化细胞代替和补充衰老

4、和死亡的细胞的方式有两种。 （1）通过现存细胞简单倍增形成新的分化细胞：这种方式是指现存的分化细胞通过分裂过程形成相同类型的子代细胞，补充由于衰老而减少的细胞数量。（2）通过干细胞（stem cell）产生新的分化更替衰亡的分化细胞：凡是需要不断产生新的分化细胞以补充衰亡细胞，而分化细胞本身又不能分裂的细胞，都需要有干细胞。干细胞最终成为终末细胞以补充衰亡的分化细胞产生新的分化细胞增殖子代细胞保持亲代干细胞特性，具有无限增殖能力；以维持体内细胞总量的平衡向不可逆的分化细胞方向发展通过干细胞更新 干细胞的概念在个体发育过程中，一些具有自我复制能力（self-renewing)并能在一定条件下分化

5、形成一种以上类型细胞的多潜能细胞称为干细胞（stem cell）。 干细胞存在于有机体的整个生命过程之中，在合适的条件下，干细胞可以分化构建身体许多不同的细胞。是一类通过有丝分裂进行自身再生，且可多向分化的细胞群。根据细胞来源 分类胚胎干细胞（embryonic stem cell,ESC）成体干细胞(adult stem cell) 干细胞的分类根据分化潜能，将干细胞分为：全能干细胞（totipotent stem cell）多能干细胞（pluripotent stem cell）单能干细胞（unipotent stem cell）全能干细胞（totipotent)：具有自我更新和分化形成任

6、何类型细胞的能力，并发育成为一个完整个体的细胞称为。 多能干细胞(multipotent)：具有产生多种类型细胞的能力，但失去了发育成完整个体的能力，发育潜能受到一定的限制。 单能干细胞(unipotent)：只能向一种类型细胞分化的干细胞。全能干细胞多能干细胞 细胞分化的共同规律：是由“全能”向“多能”，最后到“单能”。 始终保持其分化全能型的细胞核 动物受精卵子代细胞的全能性随着发育过程逐渐受到限制而变窄，即全能性细胞逐渐转化为多能和单能细胞。但对细胞核而言，却仍可称为全能性细胞核。 克隆羊“多利”羊乳腺细胞核羊卵细胞胞质保持完整的遗传信息融合具有全能性细胞核四、细胞决定与分化个体发育过程

7、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，并向特定方向分化，细胞这种预先做出的分化选择，被称为细胞决定（cell determination）。 即各胚层细胞已经具备了向特定方向分化的能力。细胞的分化方向是受限定的，这种限定是稳定的和可遗传的。内胚层中胚层外胚层预定分化为胃、小肠预定分化为肌细胞、软骨细胞等预定分化为神经组织细胞决定： 细胞从分化命运确定到出现特定形态的过程称为细胞决定。 细胞决定意味着细胞内部已发生了稳定变化，基因活动模式已开始改变。 如果将原肠胚早期预定发育为表皮的细胞（供体），移植到另一个胚胎（受体）预定发育为脑组织的区域，供体表皮细胞在受体胚胎中将发育

8、成脑组织，而到原肠胚晚期阶段移植时仍将发育成表皮。实验表明，从早期原肠胚到晚期原肠胚之间的某个时期便开始了细胞决定，虽然从表面上看不出有任何改变，可是其未来发育命运已经决定，一旦决定之后，即使外界因素不复存在，仍然按照已经决定的命运进行分化。例如：原肠胚早期预定发育为表皮细胞区域原肠胚的预定发育为脑组织的区域原肠胚的预定发育为脑组织的区域未决定已决定早期原肠胚供体受体受体晚期原肠胚供体细胞决定制约着细胞分化的方向细胞决定先于细胞分化，并制约着细胞分化的方向。而细胞分化是决定稳定发展结果。细胞决定是细胞预先做出的分化选择细胞分化则是细胞在形态、结构、功能方面的稳定差异。细胞决定和细胞分化二者都是

9、生命运行的过程，都经历起始、发展、稳定的阶段，是细胞发育的综合反应。 目前细胞决定的机制尚不明了，也不清楚细胞决定与细胞分化之间的确切关系。一般认为，胚胎发育过程中，细胞的不对称分裂及细胞间的相互作用可能是细胞决定的分子基础。 细胞决定的实质是细胞中某些基因的永久性关闭和某些基因的开放。在细胞分化分子基础的研究中，细胞决定的分子本质的研究是一个非常重要的研究课题。第二节 细胞分化的调节一、影响细胞分化的内在机制1.细胞核对细胞分化的影响。机体的绝大多数细胞都有全能性的细胞核，但在个体发育过程中，细胞内的基因并非同等表达，而是在时间、空间和表达量上受到三维调控。从表现型而言，分化细胞的特殊形态结

10、构和功能是以特殊蛋白质的表达为物质基础的而蛋白质是特定基因表达的产物。 例如：鸡输卵管细胞、成红细胞、胰岛细胞分别合成卵清蛋白、-珠蛋白和胰岛素。用相应的基因作探针，对三种细胞中总DNA的限制性酶切片段进行Southern杂交实验，结果显示：上述三种细胞的基因组中均存在卵清蛋白基因、-珠蛋白基因和胰岛素基因；然而用同样的三种探针，对这三种细胞中总RNA进行Northern杂交实验，结果表明：输卵管细胞中只有卵清蛋白mRNA， 成红细胞只有-珠蛋白mRNA， 胰岛细胞只有胰岛素mRNA。 说明： 在个体发育中，基因并不是全部表达，而是按着一定程序，有选择的相继活化表达，这一现象称为基因的差异表达

11、（differential expression）或贯序表达(sequential expression)。 细胞分化的实质是基因的选择性表达细胞内的基因按其与细胞分化关系可分为两类：一类基因是持家基因（管家基因house-keeping gene）一类基因是奢侈基因（luxury gene）或称为组织专一基因： 细胞中的基因分为两类持家基因(house keeping genes)维持细胞生存所必需的基因奢侈基因(luxury genes) 在各种细胞中选择表达的基因不同种类细胞的基因选择活 动的现象称为差别基因表达可见，不同类型的细胞各自表达某些特异的基因，其产物决定着细胞的形态结构和生理

12、功能。因此，细胞分化是基因选择性的、精确表达的结果，是组织特异性基因在时间与空间上差异表达的必然结局。这种差异表达涉及到染色体和DNA、转录和转录后、翻译和翻译后等多个水平上的复杂而严格的调控过程，尤其是基因转录水平的精确调控。细胞分化的基础是基因的差异性表达。克隆羊“多利”白面棉羊乳腺细胞核黑面棉羊卵细胞胞质融合植入白面多利说明细胞核对细胞分化的控制重组细胞2. 细胞质对细胞分化的影响受精卵细胞质的不均一 分布 细胞在分裂时细胞质是呈不均等的分配，两个子细胞所获得的胞质也不相同，这些不同的胞质可以调控核基因的选择性表达，使细胞向不同方向分化。受精卵细胞质中物质的不均一分布及卵裂时其在子细胞中

13、的不均等分配，对胚胎的早期发育及细胞的早期分化起决定作用。因此，卵细胞质中存在着决定细胞分化的物质，正是这些物质调节着基因的差异表达。 细胞质决定子 细胞质决定子是指卵和胚胎细胞中所含的蛋白质和性质的细胞质因子，这些细胞质因子通过细胞分裂被不均匀的分配到子细胞中，不同性质的决定子影响着细胞向不同方向分化。 性细胞决定子：卵细胞中含有能决定性细胞分化的物质，又称生殖质。体细胞决定子：体细胞中含有决定体细胞分化方向的物质为体细胞决定子。 3. 决定子的性质决定子是RNA调控信息：决定子是RNA性质的物质。 调控信息来源于母体：母体信息以RNP颗粒的形式存在，大部分是为具有专一发育作用的蛋白质编码的

14、mRNA，它们在卵细胞中呈定位分布，卵裂后进入不同的细胞，指导合成专一的蛋白质。以上说明：卵母细胞预先合成并储存信息通过受精卵被带到子代 这些母体信息定位分布，定时激活通过各种途径调节胚胎基因组的表达 二、影响细胞分化的外在因素细胞间相互作用。 多细胞生物的分化是在细胞间彼此影响下进行的。一些细胞对另一些细胞的影响是分化的重要因素。细胞的分化也受到邻近细胞的作用和影响，包括诱导和抑制两个方面。 分化抑制： 是发育过程中的负反馈调节现象 。分化完成的细胞可产生抑素（chalone ），这种化学介质可抑制附近的细胞进行相同的分化。分化诱导与分化抑制共同协调，维持正常细胞的分化和胚胎的发育过程。分化

15、诱导：胚层间相互促进分化的正向作用称为分化诱导。胚胎诱导脊索神经板神经管神经褶胰腺在胚胎发育过程中，一部分细胞对邻近的另一部分细胞的形态发育和分化方向起决定性影响，这一现象称为胚胎诱导（embryonic induction） 从一种灰色蝾螈胚体（供体）取下一小块尚未迁移到内部的背唇细胞（来源于脊索中胚层），移植到另一种黑色蝾螈正处于原肠胚（受体）时期的胚胎腹部，这块移植物以后发育成为第二条脊索，于是在移植物腹部脊索上方受体的外胚层又发育成为第二条神经板，宿主胚胎最终发育成具有两个神经系统的个体。通过背唇移植实验直接证明了脊索中胚层诱导其上方外胚层分化为神经组织。神经管脊索细胞间的相互诱导作用

16、是有层次的神神经管 视杯诱导外表面的外胚层 初级诱导 形成的晶状体，进一步诱导外表面的外胚层次级诱导 形成角膜三级诱导中胚层脊索诱导外胚层细胞产生神经板多级诱导作用胚胎诱导一般发生在内胚层和中胚层或中胚层和外胚层之间，不同胚层细胞之间作用，导致其胚层细胞合成组织特异性蛋白质，从而出现组织的分化。（1）中胚层对外胚层的诱导胚胎发生中，肢体由肢芽发育而成。肢芽的内部为肢芽中胚层，表面覆盖有外胚层。用两栖类或鸡胚进行实验发现，若将前肢的肢芽中胚层除去，代之以后肢的肢芽中胚层，在本应生发前肢的部位，却生发出了后肢，反之亦然。若把正常动物肢芽的肢芽中胚层换为遗传性多指畸变的肢芽中胚层，则发生多指的肢体，

17、反之，多指畸变动物的肢芽中胚层，若换成正常的肢芽中胚层，则发生正常的肢体。说明肢体的形态发生决定于肢芽中胚层。前肢肢芽外胚层前肢的肢芽中胚层后肢的肢芽中胚层后肢前肢胚胎诱导还具有两个显著特点：皮肤表皮真皮区域特异性遗传特异性表皮来源于外胚层的上皮组织真皮来源于中胚层的间充质组织皮肤上的一些衍生物是由表皮细胞分裂及特异性蛋白质合成的结果，如羽毛、鳞片、毛发等。而这些衍生物的形成又是受下面的真皮（间充质）所控制。 羽毛爪表皮细胞分裂合成特异蛋白间充质细胞（真皮）这些衍生物的形成控制区域特异性例如：从腿部取出真皮细胞，移植在胚胎翅原基的表皮下，则从这部分表皮诱导形成腿部类型的羽毛，而不是翅部类型的。

18、另一方面，若将腿部表皮移植到足部，并不在足部产生羽毛，而是在移植的表皮上形成鳞片。说明同一区域的表皮能发育形成不同的衍生物。至于形成何种衍生物，决定于位于下面的真皮。遗传特异性虽然真皮对表皮衍生物的诱导具有决定作用，但在异种动物移植的情况下，表皮的反应受种属遗传性的制约。例如：小鼠的真皮能诱导培养的鸡表皮细胞形成羽毛原基，而不形成具有小鼠皮肤特征的毛须，小鼠中胚层在正常情况下诱导小鼠的表皮形成毛须。而鸡的表皮对于小鼠中胚层的诱导反应则决定于鸡本身的遗传性，即产生羽毛而不是毛须。小鼠的真皮鼠表皮长出鼠的毛须诱导小鼠的真皮鸡的表皮鸡的表皮对于小鼠中胚层的诱导反应则决定于鸡本身的遗传性，即产生羽毛而

19、不是毛须。遗传特异性长出鸡的羽毛内部器官形成过程中需要内胚层和中胚层的相互作用。消化道开始从内胚层的原肠向中胚层间充质区域生长，两种类型细胞的相互作用，诱导唾液腺、胰腺、肺、肝脏等内胚层细胞向上皮细胞分化 （2）实质性脏器形成中细胞的相互作用间充质细胞（中胚层）心区来源的间充质细胞胚胎其他区域的间充质细胞具有组织特异性，诱导肝细胞的分化，但无种属特异性。无组织特异性，可与内胚层细胞作用，诱导发育成消化器官的细胞。特异性的非特异性的（3）胚胎诱导的机制可能：因子的诱导作用，如神经化因子，通过分子扩散方式使外胚层发生神经化。细胞间相互作用，如细胞间相互作用产生的位置信息，引起的基因的活化导致的细胞

20、的发育成熟。一些基因参与细胞发育的调控。（4）细胞外基质与细胞分化细胞外基质在胚胎诱导分化中也具有重要作用。相互作用的两种不同类型细胞间可以通过细胞外基质发生细胞间通讯。细胞外基质含有多糖复合物、糖蛋白，复合物如透明质酸、聚氨基葡糖、层黏连蛋白等。当器官发生时，这些物质被合成，作为组织成分，构成不同组织，并在动物一生中均存在。对细胞分化起着不同的作用。基膜：是由层黏蛋白为主构成的一层清晰结构。存在于不同胚层间的外基质。现已证明基膜对唾液腺的诱导起关键作用。在发育的腺体中，上皮细胞与一层基膜相接触，上皮细胞在其中生长，最终分化成能分泌的腺体细胞。在基膜下贴附着中胚层细胞，用显微手术将带有基膜的上皮细胞团与中胚层细胞分离。当这种上皮细胞单独培养时，不能进一步生长，但当与间充质细胞混合后便可生长，并连续地分化为唾腺组织。若将带有基膜的上皮细胞团以透明质酸和胶原酶处理破坏基膜后再与间充质细胞混合，上皮细胞便不能生长与分化，直至基膜再形成时为止。 说明细胞外基质与细胞分化有密切关系。2细胞间远距离作用 激素是实现远距离调控的重要物质基础。在脊椎动物中存在两大类激素，脂溶性的甾体类激素和蛋白质类的多肽类激素，前者可直接穿过细胞膜进入细胞内起作用，后者一般首先与细胞膜受体结合，通过第二信使发挥作用。另外，许多细胞还可分泌类似激素的生长因子，对周围乃至较远的