昆医分生下细胞分化(节课)

细胞分化的基本概念第一页，共七十五页。细胞分化(celldifferentiation)：

指个体发育过程中，细胞后代之间在形态结构、生化组成和功能上向专一性和特异性方向发展，逐渐产生稳定性差异的过程。1.细胞分化的概念第二页，共七十五页。红细胞脂肪细胞肌细胞骨细胞神经细胞第三页，共七十五页。时：个体在不同的发育时期细胞之间的分化；

空：分布在不同位置的同一种细胞的后代之间向不同方向的分化。细胞分化的时空变化第四页，共七十五页。第五页，共七十五页。(1)合成特异性蛋白质红细胞→血红蛋白;上皮细胞→角蛋白(2)细胞内出现新组装的亚细胞结构肌细胞→肌节和肌浆网;上皮细胞→细胞骨架；神经细胞→离子通道2.细胞分化的标志第六页，共七十五页。(3)细胞形态结构变化

神经细胞→突触;红细胞→核丢失

各特征的出现与功能相统一。第七页，共七十五页。

3．分化的不可逆性

(1)细胞分化是细胞原有的全能性分化潜能逐渐减少和消失的过程。一般自然情况下，细胞一旦分化不可能再逆转到未分化状态。第八页，共七十五页。(2)特殊情况下的逆转：①人为因素：体外培养外周血细胞淋巴细胞淋巴母细胞样细胞恢复分裂能力。逆转PHA第九页，共七十五页。②肿瘤细胞：已关闭的胚胎期基因重新开启，表达胚胎期蛋白，如肝癌细胞、胰腺癌细胞表达甲胎蛋白。第十页，共七十五页。二、细胞的全能性和细胞决定第十一页，共七十五页。(一)细胞的全能性及全能性细胞1.细胞全能性(totipotency)：单个细胞在一定条件下可分化发育为完整个体的分化潜能称为全能性。2.全能性细胞：全能性细胞可表达基因组中任何基因，分化为个体的任一种细胞。如受精卵。第十二页，共七十五页。3．细胞的多能性(pluripotency)：在发育过程中，细胞的分化潜能逐渐受到限制，失去了发育成完整个体的能力，只具有分化成多种组织细胞的潜能，称细胞的多能性。如中胚层细胞只分化为本胚层的组织。第十三页，共七十五页。4．细胞的单能性(monopotency)：有的细胞只能分化为一种特定的细胞，如单能造血干细胞，红系干细胞只能分化为红细胞，这种分化潜能称之为～。5．核的全能性：分化成熟的体细胞核仍具有发育成一个完整个体的能力，称核的全能性。第十四页，共七十五页。

如多利羊的产生，是由分化成熟的乳腺细胞核与去核的卵细胞融合发育而来，含有乳腺细胞的遗传物质。第十五页，共七十五页。第十六页，共七十五页。第十七页，共七十五页。“克隆牛之父”杨向中

（1959年7月—2009年2月）

生命的密度

2010-08-25南方周末

杨向中于2009年2月5日去世，他的去世使科学界失去了一位家畜育种方面的先驱，一位克隆技术的坚定支持者，一位热情的国际主义者，一位非常勇敢的人。我们将深深地怀念他。——克隆羊“多利”之父维尔穆特（IanWilmut）第十八页，共七十五页。1999年杨向中和他的克隆牛艾米在美国康州大学的奶牛养殖场。艾米是继克隆羊多利之后的又一项具有里程碑意义的成果。第十九页，共七十五页。我们俩通力合作，完成了一系列生物克隆研究前沿的论文——关于端粒（telomere）衰老问题和雌性动物X染色体激活的研究发表于《自然遗传学》，克隆动物印记发表于《美国科学院院刊》等。多项研究成果引起了同行的注意，很多成果开辟了克隆研究的新领域。第二十页，共七十五页。2011年4月于康州大学第二十一页，共七十五页。2011年4月于康州大学第二十二页，共七十五页。第二十三页，共七十五页。（二）细胞决定1．细胞决定(celldetermination)：细胞决定是指细胞从分化方向确定开始到出现特异形态特征之前的过程，简称决定。细胞在决定的状态下，无形态及生化的特异性，但细胞沿着特定类型分化的能力已稳定下来。第二十四页，共七十五页。2.细胞决定发生的时期：

胚胎发育：受精卵→卵裂期→囊胚期(桑椹胚)→原肠胚(三胚层形成)→器官形成成体细胞决定发生在三胚层形成期。第二十五页，共七十五页。以两栖类做实验，正常情况下：显微手术：异位交换移植。预定腹部表皮的细胞另一胚胎预定脑的部位；将预定脑的细胞另一胚胎预定腹部表皮的部位。发育发育原肠胚腹部外胚层(预定表皮)腹部皮肤表皮前顶端外胚层(预定脑)脑移植移植第二十六页，共七十五页。

若早原肠胚期移植，被移植细胞按当地细胞分化。若晚原肠胚期移植，则发生错位分化，即：腹部外胚层(预定表皮)原肠胚前顶端腹部表皮前顶端外胚层(预定脑)原肠胚腹部脑移植移植发育发育第二十七页，共七十五页。表明原肠胚晚期细胞分化方向已决定，即使外界环境条件改变，分化方向不变。第二十八页，共七十五页。3．卵细胞质对早期胚胎细胞决定

的作用第二十九页，共七十五页。(1)受精卵卵裂时核物质均等分配，子细胞是等能的。(2)受精卵细胞质物质分布不均一，卵裂时分配不均等，对细胞分化有重要影响。(3)受精卵细胞质中影响分化的物质称决定子，其在受精卵中的特殊定位以及卵裂时的不均等分配，称为细胞质定域。第三十页，共七十五页。细胞质定域决定胚胎的发育例如，蛙受精卵的灰新月物质决定脊索中胚层和神经板的分化。自然情况下第一次卵裂垂直于灰新月，两个子细胞各得1/2灰新月，都能发育成正常胚胎。人为控制第一次卵裂平行于灰新月:含灰新月物质的子细胞正常胚胎不含灰新月物质的子细胞不能正常发育发育第三十一页，共七十五页。

（4）分化的可逆性一般细胞分化不可逆，在特殊情况下有一定可逆性。去分化：分化细胞失去分化特性，可逆地变为具有未分化细胞特性的过程。转分化(再分化)：细胞从一种分化状态经去分化变为另一种分化状态。

第三十二页，共七十五页。植物营养器官→去分化→再分化→完整植株。蝾螈的断肢：已分化的肌细胞丢失肌原纤维重新进入分裂形成完整新肢。

去分化再分化第三十三页，共七十五页。第二部分

细胞分化的分子基础第三十四页，共七十五页。一、细胞分化的实质1.细胞分化的实质是基因的选择性表达，即奢侈基因的表达使细胞合成特异蛋白质。2.基因组基因分为两类:持家基因(houskeepinggene)奢侈基因(luxurygene)

奢侈基因占基因总数的5～10%。第三十五页，共七十五页。

(1)持家基因：指导合成细胞维持生存所必须的基础蛋白质的基因。如合成组蛋白、膜蛋白、核糖体蛋白、细胞周期蛋白等的基因。(2)奢侈基因：指导合成细胞分化的各种特异蛋白质的基因。如合成肌动蛋白和肌球蛋白、角蛋白、血红蛋白等的基因。第三十六页，共七十五页。二、细胞分化基因表达的调节细胞分化过程中基因表达的调节主要表现在转录水平和翻译水平上，其中以转录水平的调节更为重要。第三十七页，共七十五页。转录水平的调节：

（1）DNA甲基化

DNA复制后，在甲基化酶催化下将S-腺苷甲基转移到胞嘧啶的5’位上完成对碱基的修饰。甲基化位置可阻止转录因子的结合，因此，DNA甲基化与基因转录第三十八页，共七十五页。抑制密切相关。（2）活化染色质结构的特异调控区

Dnasel敏感位点常是转录因子的结合部位，与基因转录活性密切相关。第三十九页，共七十五页。

（3）各种调控元件调节转录

调节转录的各种调控原件包括顺式调控原件启动子、增强子、沉默子等和参与启动子、增强子、沉默子等DNA结合的反式调控因子（各种转录因子）第四十页，共七十五页。

顺式作用元件：是DNA的特异序列，可被反式作用因子(DNA调节蛋白)识别并结合，从而对其邻近基因的转录起调节作用。顺式作用元件不编码蛋白质，位于基因旁侧或内含子中。第四十一页，共七十五页。（4）核内RNA（nRNA）的选择加工转录后形成的核转录产物为核RNA（nRNA）即不均一RNA(hnRNA)，长度和种类都大于mRNA，仅有10％～20％的nRNA进入细胞质，成为成熟的mRNA。第四十二页，共七十五页。

nRNA和mRNA在种类上的差异与nRNA的选择性加工有关，在转录后加工过程中，因剪接而形成不同的mRNA。此外，还有5’戴帽和3’加尾的修饰方式。是细胞分化的重要机制。第四十三页，共七十五页。（5）专一mRNA的降解

mRNA的专一性降解也是转录后调节的一条途径。例如哺乳动物成红细胞的分化过程中，早期细胞合成若干种mRNA，但最后几次细胞分裂时，只有珠蛋白mRNA被保留下来。第四十四页，共七十五页。翻译水平的调节与转录水平的调节不同，细胞不具备专门翻译某种mRNA而不翻译其它mRNA的调节机制。翻译调控通常是通过调节细胞的整体翻译水平来实现的。以上理论需要重新定义

翻译水平的调节第四十五页，共七十五页。第三部分

影响细胞分化的因素第四十六页，共七十五页。细胞内因素1.细胞核在细胞分化中的作用在细胞分化过程中，细胞核发挥最重要作用，是物质基础。生物的任何性状都是由遗传物质决定的，而遗传物质位于细胞核；第四十七页，共七十五页。

细胞质对细胞分化的决定作用是通过调控细胞核基因的表达来实现的。实验证明，没有细胞核，卵裂不会发生，也没有细胞分化，细胞在早期便死亡。第四十八页，共七十五页。2.细胞质在细胞分化中的作用

受精卵每次分裂，细胞核物质经过复制倍增，并均等分配到两个子细胞中。而细胞质中的组分，经过运动重新改组，不均等地分配到不同的子细胞中，从而直接第四十九页，共七十五页。或间接决定胚胎的主要器官区域的位置，这种细胞质的不均质性对胚胎的早期发育有很大影响，在一定程度上决定了细胞的早期分化。第五十页，共七十五页。3.核质相互作用在细胞分化中的作用细胞是一个整体，细胞核与细胞质之间有非常密切的协调关系。一方面细胞核基因对细胞质的代谢起调节作用；另一方面，细胞质对核内基因的活性有控制作用。第五十一页，共七十五页。

正是由于核质间这种相互作用的不断进行，不同细胞在时空上按层次有序表达和关闭，直至终末分化，产生各种不同类型的细胞。第五十二页，共七十五页。细胞外因素1.环境因素在细胞分化中的作用细胞分化受到环境中各种因子的影响，主要是细胞微环境的影响。如鸡胚间质细胞既可分化为肌细胞，又可分化为软骨细第五十三页，共七十五页。胞，辅酶1的含量决定其分化方向。含量高，分化为肌细胞；含量低，分化为软骨细胞。此外，还有光线、温度等因素的影响。第五十四页，共七十五页。2.细胞间的相互作用在细胞分化中的作用（1）胚胎诱导胚胎发育过程中，一部分细胞对邻近的另一部分细胞产生影响并决定其分化的作用称为胚胎诱导。被诱导发生分化的细胞称为反应细胞。诱导分化现象在动物胚胎发育过程中普遍存在。第五十五页，共七十五页。（2）分化抑制

细胞间的相互作用除了有诱导作用外，还有相互抑制分化的作用。在胚胎发育的过程中，已分化的细胞抑制邻近细胞进行相同分化而产生的负反馈调节作用，称为分化抑制。第五十六页，共七十五页。（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，但如果将其切成小块培养，则不能形成胰腺组织，如果再把小块合起来，又可形成胰腺组织。可见细胞数量对诱导组织形成是必要的。第五十七页，共七十五页。（4）细胞外基质

细胞外基质在胚胎发育和细胞分化中具有重要作用。（5）激素对细胞分化的作用第五十八页，共七十五页。第四部分

细胞分化与肿瘤细胞

第五十九页，共七十五页。

肿瘤细胞是从正常细胞转化而来的不受控制的恶性增殖细胞，其形态、功能、代谢和增殖都发生了深刻的可遗传的变化。因此，肿瘤细胞的恶性变属于细胞的恶性分化。第六十页，共七十五页。肿瘤细胞的增殖特点三个基本特征1.恶性增殖，即增殖失控：丧失接触抑制；体外培养细胞失去正常细胞原有的最高分裂次数的限制，获得永生性。第六十一页，共七十五页。2.侵袭性在体内，肿瘤细胞不但增殖失控形成新的肿块（瘤），而且由于代谢失控，分泌破坏细胞外基质的酶，侵袭破坏周围的正常组织。3.转移性通过血管和淋巴管扩散、转移到身体的其它部位形成继发性肿瘤。第六十二页，共七十五页。细胞分化与肿瘤细胞的产生癌基因：控制细胞生长、增殖与分化并具有诱导细胞恶性转化潜能的一类基因，其活化和异常表达，致使细胞持续增殖，导致恶性肿瘤。第六十三页，共七十五页。抑癌基因：正常情况下，对细胞的生长、增殖起负性调节作用，并有潜在的抑癌作用。第六十四页，共七十五页。

由此可见，癌基因和抑癌基因编码的蛋白质对细胞生长和分化非常重要，当这些基因发生突变将导致正常细胞生长、增殖、分化失调而发生肿瘤。分化是正常细胞和恶性细胞的分水岭。第六十五页，共七十五页。肿瘤细胞的逆转和诱导分化

细胞癌变是因正常细胞恶性分化所致，故控制细胞恶性分化，使其逆转是人们普遍关注的问题。肿瘤的分化程度越低、则恶性程度越高。临床上发现有的肿瘤可自然消退，有的肿瘤可被药物诱导分化。第六十六页，共七十五页。

20世纪60年代初，人们观察到视黄基乙酸（retinylacetate）可阻断甚至逆转因化学致癌物引起的前列腺癌；维生素A（甲）酸（retinoicacid）和小剂量砒霜（As2o3）临床应用于治疗早幼粒细胞性白血病，能诱导分化受阻的幼稚粒细胞分化成熟，第六十七页，共七十五页。白血病完全缓解，收到常规化疗和放疗前所未有的疗效。而且避免了化疗和放疗选择性差的毒副作用。目前已知许多化合物可