医学细胞生物学 第9讲细胞分化(口腔、医实、医检适用)

细胞分化

CellDifferentiation基础医学院细胞生物学系

1内容要求掌握细胞分化的概念、指标及特点掌握细胞分化潜能的类型掌握细胞决定的概念2熟悉细胞分化的分子机制熟悉影响细胞分化的因素了解细胞分化与肿瘤之间的关系了解胚胎早期发育的过程3背景人用肉眼只能分辨相距0.1-0.2mm之间的两个物体1665年，英国科学家Hooke利用光学显微镜观察到植物细胞壁；1677年，荷兰科学家观察到人和哺乳动物的细胞。光学显微镜的分辨率为0.2um1931年，诞生了第一台电子显微镜。目前电子显微镜的分辨率可达到10-10um45生物体(多个、多种细胞)受精卵(单细胞)细胞生长、增殖细胞分化细胞体积增大、数量增加形成不同类型细胞6实验路线

模式生物基因敲除自体/异体移植基因导入观察、分析现象，找出规律利用手术或药物干扰动物的发育，从所导致的异常结果来推断正常的作用性质是阐明发育机制的主要途径。78模式生物无脊椎动物：果蝇：易繁殖、成本低廉线虫：秀丽隐杆线虫------生命周期仅2.5天、细胞数目少易于追踪。脊椎动物：

两栖类：非洲爪蟾、蝾螈、蜥蜴------取卵方便鱼类：斑马鱼------世代周期短（3个月）、胚胎透明鸟类：鸡------胚胎发育与哺乳动物接近、鸡胚在体外发育哺乳类：小鼠------胚胎发育与人类接近，世代周期仅2个月9哺乳动物早期发育期间细胞分化的主要阶段受精卵桑椹胚囊胚内细胞团上皮滋养层神经沟外胚层中胚层脊索内胚层三胚层胚胎10基本概念桑椹胚：在8细胞时期胚胎发生紧密化，形成一个实心的球体。紧密化后的胚胎至32细胞时期称为桑椹胚。11基本概念

囊胚（胚泡）：卵裂后期，桑椹胚体积进一步增大，外周细胞分裂较快形成囊胚壁，称滋养层；内部细胞分裂较慢，形成内细胞团，中间出现囊腔，称囊胚腔。此时的胚胎称为囊胚或胚泡。12基本概念

原肠作用：胚胎细胞通过剧烈而又有序的运动，使囊胚细胞重新组合，形成三胚层胚胎结构的过程。13

(一)细胞分化的概念一般概念：细胞分化是指同一来源的细胞通过分裂逐渐产生结构和功能上稳定性差异的过程。一、概述14

分子水平概念：细胞分化是基因选择性表达的结果，表现为不同类型的细胞合成出不同的特异性蛋白质。例如:红细胞---血红蛋白肌细胞---肌动蛋白和肌球蛋白浆细胞---抗体15(二)细胞分化的指标三大指标：形态结构、生化特性和生理机能成熟的红细胞：中间凹陷、圆盘状、无核产生血红蛋白能携带氧和二氧化碳肌细胞：梭形产生收缩蛋白(肌动蛋白和肌球蛋白)能收缩16小肠上皮细胞红细胞成纤维细胞不同类型细胞形态各异（扫描电镜图）17(三) 细胞分化的特点稳定性

细胞一旦受到某种刺激、开始向某一方向分化后，即使引起细胞分化的因素不再存在，分化仍然继续进行，不会自发地逆转到未分化状态。分化过程基本上是不可逆的，导致个体发育的不可逆性。受精卵分化胚胎发育成体衰老死亡182.可逆性：在一定条件下，细胞分化又是可逆的。19可逆性例证1：在一定条件下，细胞分化又是可逆的。细胞分化的稳定性是普遍的，而分化的可逆性是有条件的。野生胡萝卜植株实验20可逆性例证2：在一定条件下，细胞分化又是可逆的。畸胎癌细胞与正常囊胚细胞融合产生嵌合体小鼠213.时空性：空间分化：同源细胞由于所处位置不同产生不同细胞类型。

时间分化：一个细胞在不同发育阶段可以有不同的形态和功能。224.普遍性：细胞分化存在于个体生命活动的始终，但以胚胎期最为明显。23受精卵桑椹期内细胞团滋养外胚层外胚层（神经、表皮）中胚层（脊索、血细胞、肌肉）内胚层（消化道、肝脏、胰腺）胎盘ES细胞胚胎细胞的分化细胞分化与个体发育24全能细胞（totipotentcell）：

在一定条件下，有能力重新形成完整的个体或者分化形成该个体任何种类的细胞。胚胎细胞的分化潜能25多能细胞

(pluripotentcell)：

发生潜能上出现一定的局限性，只具有演变为多种细胞类型的能力，这种细胞称为多能细胞。胚胎细胞的分化潜能26单能细胞(unipotent/monopotentcell)：仅具有分化形成某一种类型能力的细胞被称为单能细胞。胚胎细胞的分化潜能27

在细胞发育过程中，这种逐渐由全能转变为多能，最后趋向于单能的分化趋势是细胞分化过程中的一个普遍规律。28细胞核具有全能性29胚胎细胞分化潜能的决定细胞决定(celldetermination)：

细胞在出现特异形态特征之前已经确定了未来发育方向的能力。

30移植实验显示细胞的决定状态原肠胚早期预定发育为表皮组织的区域移植至另一胚胎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为脑组织；原肠胚晚期预定发育为表皮组织的区域移植至另一胚胎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为表皮。31细胞决定的特点稳定性遗传性32

成虫盘(器官芽):

成虫盘是幼虫体内处于未分化状态的细胞团，变态后由成虫盘产生相应的腿、翅、触角等成体的不同结构，他们是预先向某种特定类型分化的已决定的细胞团。333435胚胎细胞分化潜能的决定

细胞区域决定：

细胞在分化成一种细胞类型之前，细胞已经具有了分化成与该细胞所在位置类型相同细胞的能力。36小鸡胚胎翅芽嫁接实验显示区域决定早期的腿芽细胞已经具有了腿的决定，但没有不可逆的定向为腿的特定部分；最终定向为何种组织和器官与最终发育时的位置有关。37细胞分化的分子水平概念：细胞分化是基因选择性表达的结果。细胞分化的分子机制3839

DNA/RNA分子杂交实验证明 基因组转录百分率(%)细菌 40~50变形虫 28果蝇(胚胎) 15鸡(肝) 15小鼠(肝、肾、胰) 4~5人(肝、肾、胰及Hela细胞) 4~5降低40

杂交实验检测primaryRNA是否具有组织特异性。从肝细胞cDNA文库中任选15个克隆(每个克隆含一个基因)，分别与提取的肝、肾、脑组织primaryRNA杂交，检测其是否能够杂交配对。结果：肝primaryRNA与15个克隆均杂交，而能与肾、脑primaryRNA杂交克隆数明显减少。41基因组DNA转录primaryRNA剪接mRNA穿过核膜翻译降解蛋白质42转录水平的调控翻译水平的调控细胞分化基因表达的调控43与细胞分化有关的基因按功能分为两类：管家基因(housekeepinggene)：维持细胞基本活动所必需的结构与功能蛋白质的编码基因。奢侈基因(luxurygene)：细胞特异性蛋白质编码基因，对细胞分化起重要作用，对细胞的生存无直接影响。44影响细胞分化的因素不对称分裂细胞间的相互诱导相邻细胞的侧向抑制信号分子的梯度效应细胞的内在程序45（一）不对称分裂

不对称分裂会造成两个子细胞的不同，一些重要的分子（决定子）在分裂时不均等的被分配到两个子细胞中；

决定子：卵裂时，受精卵的细胞质物质在子细胞中的分配是不均匀的，这些特殊细胞质组分被称为决定子。46不对称分裂存在于细胞质中不对称分配的分子直接或间接的改变所在子细胞基因表达的格局；含有生殖细胞决定子的细胞将来发育为生殖细胞；4748不对称分裂蛙受精卵在卵裂时得不到灰新月区的卵细胞将无法发育为正常的胚胎，因为灰新月区控制胚孔背唇（灰新月区出现的唇形凹陷）形成，而胚孔背唇是诱发原肠运动的关键。灰新月：精子入卵引起卵表层细胞质流动，在对侧赤道下方形成的灰色区域。49不对称分裂施皮曼组织者（Spemann’sorganizer）：

将早期原肠胚的背唇细胞切割下来，移植到相同发育的另一胚胎的不同位置，宿主细胞除在原背唇处发生内陷外，在移植处产生一新的内陷，结果引起双胎发育。这种背唇细胞对原肠胚形成的组织作用被称为施皮曼组织者。

50（二）细胞间相互诱导

诱导式相互作用（inductiveinteraction）:

胚胎细胞发育过程中，相邻细胞的信号使群体内的一个或多个细胞性状发生改变，这种过程被称为诱导式相互作用。51细胞间相互诱导

诱导式相互作用特点：诱导式相互作用具有时间和空间的限制。举例：中胚层脊索诱导外胚层分化为神经管。5253胚胎细胞间的多级相互诱导初级诱导：神经管形成脑的部位诱导两侧形成视环次级诱导：视环再诱导紧邻外胚层细胞分化为晶状体三次诱导：晶状体诱导表面上皮细胞分化为透明角膜54胚胎细胞间的多级相互诱导

依次诱导（sequentialinduction）：

这种渐进性的产生更复杂格局的策略被称为依次诱导。发育动物主要通过这种方式规划身体，在最初构划出大致轮廓后，随发育的过程，一次又一次的精雕细琢。555～6天胚龄鸡胚眼部结构电镜扫描图56（三）相邻细胞的侧向抑制侧向抑制（lateralinhibition）：经过细胞间的相互诱导，一群细胞中的一部分细胞被诱导成不同的细胞之后，获得了与周围细胞不同的性状，同时向邻近的细胞传递一种信号，阻止他们成为与自己一样的细胞，这种现象被称为侧向抑制。57相邻细胞的侧向抑制实验举例：发育中的蛙胚置于含成体蛙心碎片的培养液中，胚胎不能产生正常的心脏。发育中的蛙胚置于含成体蛙脑碎片的培养液中，胚胎不能产生正常的脑。58（四）信号分子的梯度效应梯度效应：不同浓度的信号分子可使细胞进入不同的分化途径。这种效应称为梯度效应。实验举例：

胚胎肢芽一侧的特化细胞分泌一种信号分子，扩散后形成梯度，控制肢芽拇指到小指细胞的分化。5960（五）细胞的内在程序细胞的内在程序：细胞改变性状是细胞内在控制的，不需要诱导信号触发。实验举例：出生7天的小鼠眼神经胶质祖细胞在恒定的环境中培养，8个分裂周期后将分化为少突神经胶质细胞。这与其在胚胎中发育的时间相同。61

肿瘤细胞是异常分化的细胞。个体发育是细胞有控生长与逐步分化的结果，而肿瘤则是生长失控与去分化的结果。细胞分化与肿瘤62癌角质层生发层基膜血管转移63肿瘤生成与基因表达基因编码错误抑癌基因抑制原癌基因激活64

以药物或生物制剂控制细胞分化和增殖是肿瘤治疗的主要方向。目前，利用分化诱导剂诱导肿瘤细胞分化已作为肿瘤治疗的一种辅助疗法。细胞分化与肿瘤治疗65内容回顾掌握细胞分化的概念、指标及特点掌握细胞分化潜能的类型掌握细胞决定的概念熟悉影响细胞分化的因素66参考书医学细胞生