高中生物竞赛课件细胞生物学-第15章-细胞分化与胚胎发育

第15章细胞分化与胚胎发育细胞分化的基本概念细胞的全能性与多能干细胞影响细胞分化的因素第一节细胞分化一、细胞分化的基本概念

细胞分化是指在个体发育中，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、产生不同的细胞类群的过程。在个体发育的过程中，细胞的基因并无丢失，而是出现选择性表达，转录产生不同的mRNA，翻译出不同的蛋白质，细胞之间因此出现了差别（分化）。因此基因的选择性表达（差异表达）是细胞分化的本质。（一）细胞分化是基因选择性表达的结果（一）细胞分化是基因选择性表达的结果（二）管家基因/组织特异性基因根据对细胞分化是否有贡献，基因可分为：基因组内某些基因的表达产物对所有的细胞都是必需的或必不可少的，这些基因在所有细胞中的表达几乎都是恒定的，称这些基因为管家基因(housekeepinggene)。管家基因包括基本代谢过程所需要的酶基因、调节基因及各种细胞结构蛋白的基因。管家基因（housekeepinggene）两个特点：维持细胞生存必需与细胞分化无关管家基因奢侈基因（二）管家基因/组织特异性基因基因组内某些基因仅在特定细胞或特定条件下才表达，编码具有特殊功能的蛋白质产物，称这些基因为奢侈基因(luxurygene)。奢侈基因（luxurygene）管家基因奢侈基因根据对细胞分化是否有贡献，基因可分为：两个特点：细胞生存不一定需要与细胞分化有关成红细胞：血红蛋白和碳酸酐酶表皮细胞：角蛋白浆细胞：球蛋白肌纤维：肌球蛋白和肌动蛋白细胞分化的标志：——

新的特异性蛋白质（特定奢侈蛋白）的合成（二）管家基因/组织特异性基因（三）组合调控引发组织特异性基因表达组合调控引发组织特异性基因的表达旁分泌因子胞外基质细胞连接AB广泛存在的细胞间对话是同型细胞趋异化的主要原因1.细胞间相互作用在细胞分化中的作用早期胚胎细胞间对话实现细胞趋异（四）细胞分化的基础以及影响因素1.细胞间相互作用在细胞分化中的作用2.位置信息影响细胞分化旁分泌因子的浓度梯度提供位置信息指导细胞分化Shh基因在芽肢的表达模式前后3.激素（信号）对细胞分化的调节激素是远距离细胞间相互作用的调节因子激素的分类：甾类激素多肽类激素甾类激素的信号通路4.胞质分配不均卵裂时,卵细胞质各区域的组分分布不均。大量胞质组分(mRNA或蛋白质)不均等分配，这些成分称为细胞分化决定因子，能决定细胞的发育命运（细胞决定）5.环境因素对细胞分化的影响外界的理、化、生等各因素对个体发育分化的影响

B淋巴细胞的分化环境因素调控细胞分化和发育已成为生物医学研究的热点6.细胞记忆与决定；7.染色质变化与基因重组黏菌繁殖过程示意图（五）单细胞有机体的细胞分化单细胞生物的分化是为了适应环境，而多细胞是为了产生不同功能的细胞（六）转分化与再生（六）转分化与再生再生现象：缺损组织或器官的复原

高等动物的再生能力低于低等动物，哺乳动物的再生能力很低，仅限于肝脏等少数器官。再生的本质：成体组织的脱分化与再分化时空性：分化细胞在特定的空间和时间出现定向性：细胞决定稳定性：细胞与细胞之间出现稳定的差异可逆性：转分化和去分化，弹性分化普遍性：分化和分裂相伴而行，是多细胞生物的两件头等大事细胞分化的特点二、细胞的全能性与多能干细胞细胞的全能性是指细胞经分裂和分化后仍具有形成完整有机体的潜能或特性。分化潜能全能干细胞受精卵、卵裂早期细胞（16c）干细胞多能干细胞胚胎干细胞、生殖嵴干细胞、造血干细胞单能干细胞神经干细胞来源胚胎干细胞成体干细胞干细胞是机体中能进行自我更新和多向分化潜能并具有形成克隆能力的一类细胞。根据分化潜能的不同，干细胞可分为全能干细胞、多潜能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。根据来源不同，干细胞又可以分为胚胎干细胞和成体干细胞。造血干细胞逐级分化为各种类型的血细胞多能干细胞胚胎干细胞人类治疗性克隆与再生医学的设想人的胚胎干细胞诱导分化成胰岛β细胞人体胚胎干细胞(hES)优点：有潜力在体内发育成任何细胞类型。缺点：

(l)供体卵母细胞的来源困难,ES细胞建系效率低；

(2)免疫排斥反应；

(3)ES细胞具有成瘤性；

(4)体外保持ES细胞全能性的条件非常复杂；

(5)伦理学争论。诱导多能干细胞（iPS）建系过程的示意图诱导多能干细胞iPS

(inducedpluripotentstemcells)

诱导多能干细胞（iPS）通过基因转染技术(genetransfection)将某些转录因子导入动物或人的体细胞,使体细胞直接重构成为胚胎干细胞（embryonicstemcell,ESC）细胞样的多潜能细胞。iPS细胞不仅在细胞形态、生长特性、干细胞标志物表达等方面与ES细胞非常相似,而且在DNA甲基化方式、基因表达谱、染色质状态、形成嵌合体动物等方面也与ES细胞几乎完全相同。

iPS优点与经典的胚胎干细胞技术和体细胞核移植技术不同，iPS技术不使用胚胎细胞或卵细胞，因此没有伦理学的问题。利用iPS技术可以用病人自己的体细胞制备专用的干细胞，所以不会有免疫排斥的问题。

iPS缺点比如，添加4个“重新编程”基因或取代疾病细胞中有缺陷基因的方法都可能有导致癌症的副作用。iPS发展历程2006年日本京都大学山中伸弥ShinyaYamanaka领导的实验室在世界著名学术杂志《细胞》上率先报道了iPS的研究。他们把Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4这4种转录因子引入小鼠胚胎或皮肤纤维母细胞，发现可诱导其发生转化，产生的iPS细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等都与胚胎干细胞极为相似。

iPS发展历程2007年末，Thompson实验室(美国Wisconsin大学)和山中伸弥实验室几乎同时报道，利用iPS技术同样可以诱导人皮肤纤维母细胞成为几乎与胚胎干细胞完全一样的多能干细胞。所不同的是日本实验室依然采用了用逆转录病毒引入Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf44种因子组合，而Thompson实验室则采用了以慢病毒载体引入OCT4、SOX2加NANOG和LIN28这种因子组合。这些研究成果被美国《科学》杂志列为2007年十大科技突破中的第2位。iPS发展历程2008年，哈佛大学GeorgeDaley实验室利用诱导细胞重新编程技术把采自10种不同遗传病患者病人的皮肤细胞转变为iPS，这些细胞将会在建立疾病模型、药物筛选等方面发挥重要作用。美国科学家还发现，iPS可在适当诱导条件下定向分化，如变成血细胞，再用于治疗疾病。这表明利用诱导重新编程技术可以直接获得某一特定组织细胞，而不必先经过诱导多能干细胞这一步。iPS发展历程2009年，中国科学家于2008年11月利用iPS细胞培育出小鼠——“小小”。中国科学院动物研究所周琪研究员和上海交通大学医学院曾凡一研究员领导的研究组合作完成的工作表明，利用iPS细胞能够得到成活的具有繁殖能力的小鼠，从而在世界上第一次证明了iPS细胞与胚胎干细胞具有相似的多能性。科学家表示，这一研究成果表明iPS干细胞或许同胚胎干细胞一样可以作为治疗各种疾病的潜在来源。《时代周刊》2009年十大医学突破

iPS发展历程2012年诺贝尔生理学或医学奖

京都大学物质-细胞统合系统据点iPS细胞研究中心主任长山中伸弥和英国发育生物学家约翰-戈登因在细胞核重新编程研究领域的杰出贡献而获奖。第二节胚胎发育中的细胞分化一、生殖细胞的分化二、早期胚胎发育过程中的细胞分化三、果蝇胚胎早期发育中的细胞分化一、Germcelldifferentiation

BBA-GeneRegulatoryMechanisms,2012,1819(6):616–630Germcelldifferentiation

inmice

性细胞从体细胞中分化出来，被认为是后生动物起源的重要标志。高度分化的精子卵子一旦结合，所有既有分化标记会消失，成为新生命起点。性腺是一个极为特殊的器官大多数器官的发育进程，其细胞分化都仅有一个方向性腺的分化却具有两个截然不同的方向——睾丸或卵巢性腺原基中每个细胞都具备这两种分化潜能，要么分化为睾丸细胞，要么分化为卵巢细胞/wp-content/uploads/2011/01/UROGEN.bmp性别分化实际上是性腺细胞的分化哺乳动物Y染色体携带男性性别决定的关键基因：睾丸决定因子

只有一条X染色体没有Y染色体的人发育成女性

具有多个X染色体，同时具有Y染色体的个体发育成男性

在XX-XY嵌合体的性腺发育中，首先分化的是睾丸支持细胞，该细胞核型是XY。/?page_id=55AnXXsex-reversedmouse(33.13)withSRYgeneisphenotypicallymale这个基因它被发现于XY男性和极少的XX男性。通过分析XX男性和XY女性的DNA,睾丸决定基因被进一步缩小到Y染色体短臂上一个35kb碱基对的区域。转基因(SRY)小鼠实验：将Sry基因14kb区域取下，显微注射到刚受精的小鼠合子原核中(XX型)。注射过含有Sry序列的小鼠胚胎发育出睾丸、雄性的附属器官和阴茎。

但无法形成具功能的精子。睾丸决定因子：SRY:sex-determiningregionoftheYchromosome

SRY编码一个转录因子，通过调节下游基因的表达，引起前体细胞向睾丸支持细胞分化。在这个区域中发现一个男性特异的DNA序列，编码223氨基酸的肽.这个肽含有一个HMG(highmobilitygroup)box的DNA结合域，它可诱导与它结合的DNA区域发生弯曲。Figure17.5DevelopmentalBiology(©SinauerAssociates,Inc.2010)SRY:sex-determiningregionoftheYchromosome

原生殖细胞迁移性腺是生殖细胞发育场所。原生殖细胞（PGC）形成于胚胎发育早期，（人类第四周，小鼠受精后第7天），来自胚外中胚层的细胞首先聚集在尿囊和后肠的交界处，然后沿卵黄囊的尾部进入后肠向背部迁移，PGC在迁移过程中快速分裂。SRY与性腺细胞分化人类胚胎发育中，原生殖细胞到达生殖嵴在第六周，直到第七周，男女两性生殖嵴及其相关附属结构未有任何差别。SRY于胚胎发育第41天表达，与原生殖细胞细胞到达生殖嵴一致。

Sox9：脊椎动物核心雄性决定因子

*常染色体上的睾丸决定基因，含HMGbox的转录因子。*Sry在胚胎中，可能仅有几小时活性，但它的主要作用可能是激活Sox9.*人(XX)有额外拷贝的SOX9基因发育为雄性，即使没有SRY基因存在。*在小鼠中SOX9基因仅表达于雄性生殖嵴中。同时，它与Sry都表达于同样的生殖嵴细胞中，但其表达时间稍晚。*敲除Sox9基因在XY小鼠性腺中的表达，发生性逆转。*Sox9转基因XX小鼠形成精巢，缺乏精子。SRY启动Sox9表达，开启保守‘精巢形成途径’Figure14.7DevelopmentalBiology(©SinauerAssociates,Inc.2010)Sox9：脊椎动物核心雄性决定因子

Sox9基因在所有脊椎动物中表达。Sry基因似乎仅存在于哺乳动物中。Sox9才是脊椎动物中核心的雄性决定因子。

在哺乳动物中，Sry激活Sox9;

但在鸟类、两栖类、鱼类，它似乎由Dmrt1的激活。

Sox9在sertoli前体细胞中的表达可受Sry和Sf1的共同调节。

SRY启动Sox9表达，开启保守‘精巢形成途径’Figure17.8DevelopmentalBiology(©SinauerAssociates,Inc.2010)

结合自己的启动子，维持其表达。

阻止β-catenin诱导卵巢形成

结合许多精巢形成必须的基因上游调控元件，调节其表达。

结合AMH(anti-mullerianducthormone)的启动子区，调节其表达Sox9激活Fgf9的表达；而Fgf9又可维持Sox9的转录，建立正反馈环路，驱动性腺发育。Sox9：保守的‘精巢形成途径’的决定因子Figure17.5DevelopmentalBiology(©SinauerAssociates,Inc.2010)FGF9：*FGF9敲除小鼠，突变体均为雌性。*Sox9可激活FGF9表达。FGF功能：

可引起sertolicell的前体细胞增殖、分化。

激活邻近中肾(mesonephros)的内皮细胞(endothelialcell)迁入XY性腺。这些细胞构成精巢的主要动脉并诱导sertolicell前体形成睾丸索。Sox9持续表达依赖胞外信号分子FGF9Wnt4在卵巢发育中起重要作用*

Wnt在发育过程中的各个阶段都发挥着重要作用，在性别决定之前，Wnt4在两性的生殖嵴中都有表达