细胞分化与克隆优秀公开课件

第五章细胞分化与“克隆”一、细胞分化的基本概念二、细胞分化中的发育潜能变化三、细胞核移植实验的重要启示—动物特化细胞的细胞核仍保持全能性四、细胞分化与基因的时空表达五、细胞质在细胞分化中的重要作用六、内外环境对细胞分化的影响七、“多莉”克隆羊研究的科学意义

一、细胞分化的基本概念

1、什么是细胞分化

（1）细胞分裂、细胞生长、细胞分化三者共同作用实现人从一个受精卵最终发育成由多细胞构成的人体。

a、细胞分裂：增加细胞的数量；

b、细胞生长：增加细胞的体积和重量；

c、细胞分化：增加细胞的种类和功能。

（2）细胞分化：(从受精卵分裂开始，通过胚胎发育演变出各种类型的组织细胞。)是指细胞的结构、形态和功能发生了稳定差异的变化，这个差异形成过程就称为细胞分化。

b、细胞分化是个体生长的基础：

如血液中各种细胞的形成，就是由造血器官中（红骨髓）多能造血干细胞进行血细胞分化的结果。图5-1。

2、细胞分化的特点：

3个基本特点：

（1）细胞分化是单向演变，一般不发生逆转（2）分化的方向和程序都是预先确定；

（3）细胞生理状态随着细胞分化程度而改变

如神经细胞和肌肉细胞是高度分化的细胞,在成体中一般是不分裂的；

表皮生发层细胞和骨髓造血干细胞是分化程度比较低的，可以终身保持分裂能力。

（2）多能性：随着胚胎的进一步发育，其细胞虽然还具有分化成各种组织细胞的发育潜能，但是已经失去了发育成完整个体的能力，这时的发育潜能叫—。

如多能造血干细胞→红细胞、白细胞、血小板等多种细胞，但是不能分化出血液系统以外的其它细胞，发育潜能只是多能性，而不是全能性。

（3）单能性：(再进一步分化，)单能造血干细胞只能分化形成专一的细胞，这时的发育潜能被称为—。总之，随着细胞分化程度的深入，其发育潜能逐渐变窄，变得专一（4）终端分化细胞（特化细胞）：像成熟红细胞这样高度分化的细胞实质上是发育到尽头了,被称为—。3、克隆与发育潜能

（1）克隆（clone）：希腊语，原意是插枝入土，重新长成一株大树。（2）生物学上表示无性繁殖系，即某个生物体的一部分通过无性繁殖手段，可人工培育出一批与原生物体基因型完全相同的后代。

（3）现在已经有微生物克隆、细胞克隆、分子克隆、胚胎克隆、植物克隆、动物克隆、单克隆抗体术语。图5-4。

（2）1978年，我国发育学家童第周先生将黑斑蛙的红细胞核移入去核的未受精卵，也有少数发育成蝌蚪；童弟周培育的鲤鲫核质杂交鱼等。

（3）1981年，Hoppe等，首先在哺乳动物—小鼠中成功进行了核移植实验，将灰色小鼠囊胚期细胞的核移入到黑色小鼠的去核受精卵中，经过体外培养，移核卵发育到囊胚期，再将移植到白色雌鼠（假孕鼠）子宫内，结果生产出3只仔鼠，其毛色、核型、同工酶指标都与核供体灰色鼠相同。图5-5。

童第周，字慰孙，我国著名生物学家、教育家。生于1902年5月28日，1979年3月去世。浙江鄞县人。

维尔穆特及其同事：1000个卵—434个人造未融合的卵—电击融合—277个人造受精卵—移植到羊输卵管中特殊培养存活247个—29个发育到早期胚胎的高级阶段（桑葚胚）—移植到13只代孕母亲的子宫中—只有多利出生了。②技术线路仍是采用细胞核移植，与“多莉”的区别是供体细胞(提供细胞核的细胞)是人的胎儿细胞，即将人的胎儿细胞核移植至到羊的卵细胞中③克隆羊“多莉”是带有人类某些基因的羊、其意义主要表现在经济价值方面。（2）上海羊：是转基因山羊4、扬州大学的克隆羊、西北农大的克隆山羊（圆圆和羊羊）、克隆牛（中科院动物所）、克隆猴问世。

5、克隆人?隆人已经不是科幻小说里的梦想，而是呼之欲出的现实。目前，已有三个国外组织正式宣布他们将进行克隆人的实验，美国肯塔基大学的扎沃斯教授正在与一位名叫安提诺利的意大利专家合作，计划在两年内克隆出一个人来。由于克隆人可能带来复杂的后果，一些生物技术发达的国家，现在大都对此采取明令禁止或者严加限制的态度。

模拟克隆人古代神话里孙悟空用自己的汗毛变成无数个小孙悟空的离奇故事，表达了人类对复制自身的幻想。上世纪初，韦伯（H.J.Webber）创造了“克隆”这一词，其含义指由单个祖先个体经过无性繁殖而产生的其他个体。１９３８年，德国科学家首次提出了哺乳动物克隆的思想。1978年，美国科幻小说家罗维克（D.Rorvick）写了一本名叫《克隆人》（TheCloningofaman，该书中文译名为《复制人》）的书。克隆人的法律地位1、克隆人是人不是物2、克隆人给社会带来法律主体上的混乱3、克隆人给民事法律关系带来的混乱a克隆人没有监护人b克隆人的人格权和荣誉权克隆的意义克隆人的好处第一是可以让那些得不到孩子而非常痛苦的不育患者有自己的孩子。其二，这样的克隆是只用丈夫妻子自己的精子卵子，这就避免了伦理上和心理上的阴影。还有，克隆还可以挽救濒危动物，保持人群性别的合理平衡，保护少数民族遗传基因。更重要的是，克隆人可被用来研究，以比较和证明环境与遗传对人成长究竟哪一个更重要。

6、两个有关的认识难点

（1）既然动物特化细胞的核仍然具有全能性，为什么说动物细胞的发育潜能随着细胞分化的深入而愈变愈窄？

（2）既然动物特化细胞的核仍然具有全能性，为什么说动物特化细胞在整体水平上失去了全能性？

四、细胞分化与基因的时空表达

1、差别基因表达和基因时空表达

两类基因：

（1）管家基因

a、概念：是对维持细胞生存所必须的基本基因。称为管家基因

。

b、通常都是中等重复DNA序列，在各种细胞中处于活性表达状态，如rRNA、tRNA基因、组蛋白基因等。

（2）奢侈基因

a、概念：这类基因,与各种分化细胞的特性有直接关系的基因，由它们编码的蛋白质通常是一些具有特殊生理功能的结构蛋白或酶,这类基因称为奢侈基因。

b、它们大多数是单一序列的结构基因，如肌动蛋白、肌球蛋白、血红蛋白、胶原蛋白基因。

c、功能：这些基因及表达产物在细胞分化中起关键作用。

d、表达特点：是受到严格的时空表达调控的，即它们只在特定的发育阶段（时间），特定的组织（空间）才出现表达。人类基因组的3-4万个基因不会同时表达，实际上只有1-2%的基因在表达，其它基因关闭，处于沉默状态。

（3）差别基因表达：

概念：在某一时刻，有的基因在表达，而另外一些基因不表达。从而导致基因型完全相同的不同组织细胞的表型发生差异变化，这称为—。

（4）基因的时空表达：

a、著名的例子是人类红细胞不同分化阶段，由于表达基因不同，而产生不同的血红蛋白类型。

b、有胚胎、婴儿、成人血红蛋白，它们的的组成亚基是不同的。在个体发育中，胚胎期是以胚胎血红蛋白(四个亚基构成，分别为两个ε亚基和两个ζ亚基

）为主，婴儿期是以婴儿血红蛋白(四个亚基构成，分别为两个α亚基和两个γ亚基

）为主，成人期是以成人血红蛋白为主（人体内的血红蛋白由四个亚基构成，分别为两个α亚基和两个β亚基

）。

2、细胞分化程度与基因时空表达的关系

a、分化程度很低的早期胚胎细胞的发育潜能：具有全能性或多能性，是因为这些细胞在未来的发育阶段上，发生差别基因表达的可能性大；b、对特化细胞而言：发育潜能已经变得十分有限。因为尽管它们的细胞核具有一整套基因组，但是按照基因时空表达的程序表，它们还能够发生差别基因表达的可能性已经极少了。如小朋友和老年人的可塑性比较。

五、细胞质在细胞分化中的重要作用

1、动物特化细胞丧失全能性的原因

既然动物特化细胞的细胞核与植物特化细胞的细胞核一样，保持有全能性，为什么动物特化细胞不能像植物特化细胞那样也具有发育潜能的全能性？a、细胞全能性＝胞核全能性+细胞质全能性

b、动物特化细胞的细胞核＝植物特化细胞的细胞核＝具有全能性

c、动物细胞失去全能性＝细胞质失去全能性。

细胞核移植实验有一个共同的特点，就是必须将细胞核移植到去核的卵细胞或受精卵中，这就证实了动物特化细胞本身的细胞质失去了全能性，只有把核移植到具有全能性的卵细胞质中，才能够恢复整个细胞的全能性。2、动物卵细胞质对细胞分化的调控

（1）卵细胞质的结构：大多数动物的卵呈现圆球形、内部物质不均一分布对细胞分化发生影响，分动物极和植物极（图5-6）。

a、动物极：极体附着的一端，原生质比较集中，卵裂进行比较快。如蛙卵的动物极有比较多的黑色素，比重小，受精后总是朝上；

b、植物极：相对的另一极是植物极，含有比较多的卵黄质，分裂比较慢，比重大，总是朝下。

（2）不均一现象：动物极到植物极的物质出现分区现象，不均一现象决定了随后的卵裂细胞的不同分化命运。

（3）决定子：卵细胞质中不均一分布着某些决定细胞分化命运的物质，叫—。如蝇卵的极质是性细胞决定子—生殖质。马蛔虫的生殖质在植物极这一端。图5-6。

A、正常：只有植物极（下）这一端的细胞分化成生殖干细胞；

B、离心：混合（作用是将两极物质混合）后，第一次卵裂的两个子细胞全部分化为生殖干细胞。3、细胞分化决定子的性质

a、概念：是储存于成熟卵细胞的细胞质中的遗传调控信息即多种mRNA。b、

mRNA的类型：多达2万-5万种，每种mRNA的拷贝具有600多个，与专一性的蛋白质结合成RNP颗粒（信息体），形成一种叫做隐蔽mRNA的特殊形式，储存于卵细胞质中。所以卵细胞才具有巨大的发育潜能。

4、隐蔽mRNA的特点：4个

a、这些隐蔽的mRNA都是在卵母细胞形成过程中转录合成而贮存下来的，并不是在受精卵阶段才转录合成的。

放线菌素D(抑制转录活性的化学药剂)处理海胆的受精卵，转录抑制活性了90%，但胚胎发育并未出现受阻的迹象。---这说明起关键作用的正是早已贮存的隐蔽mRNA。

b、隐蔽的mRNA在卵母细胞中贮存时，基本上是处于非活性状态，在受精后被激活。其激活机制是Na+浓度的改变。c、隐蔽mRNA在受精后激活，其指导的翻译决定了细胞分化。实验表明，用抑制翻译合成的化学药剂（嘌呤霉素）处理受精卵，抑制翻译活动，结果细胞分化完全终止。

d、由于各种类型的隐蔽mRNA在卵细胞质中式不均一分布和定位贮存的，所以随着卵裂时细胞质不同区域分别进入不同子细胞中，从而不同子细胞的细胞分化方向也就不同了。

六、内外环境对细胞分化的影响1、激素对细胞分化的调控作用（1）概念：是由多种内分泌腺体排到体液或血液中的信号效应物质，在远距离的细胞之间起着信息传递作用。靶细胞：受其调控的细胞叫—。它具有激素受体（2）激素的种类：a、生长激素：由脑垂体分泌，促进细胞生长和蛋白质合成。

b、甲状腺素：由甲状腺分泌，能刺激组织生长、成熟和分化、促进细胞代谢。

c、肾上腺皮质激素：由肾上腺分泌，对许多器官的后期发育有重要的调节作用。

2、外界环境因素的影响

许多有害环境因素对胚胎发育早期的影响是严重的，如营养不良、高烧、有毒物质、放射线等导致胎儿先天畸形。

七、“多莉”克隆羊研究的科学意义

1、首次证实了哺乳动物成体的特化细胞细胞核仍具有发育全能性

为什么选择供体核是乳腺细胞核？分泌物是乳汁，不会分泌到克隆动物或转基因动物自身体内，危及到自身的安全。

2、首次证实了哺乳动物特化细胞的发育潜能有可能在人为条件下发生逆转分化，并探索了实现去分化→再分化的实验技术

3、证明克隆动物不是100%的复制。（1）再生现象：即某些生物个体由于外伤，丢失了部分肢体或器官后，它们还可能由创伤面重新长出。自体修复的再生现象的本质是细胞分化逆转的特殊形式。（2）再生的潜能不同：a、植物和低等动物的再生能力强：如蚂蝗和蚯蚓；棘皮动物能够吐出内脏引诱敌人，逃跑后自行修复；四脚蛇和壁虎的断尾巴也是这样；b、人和哺乳动物的再生能力很弱：仅有伤口愈合、骨折重新接合的创伤性再生和肝脏切除后的补偿性再生。

（3）修复过程的本质

是处于创伤面的特化细胞在外界条件的刺激下，发生去分化→再分化的逆转全过程。去分化和再分化。

（4）克隆与再生现象比较

①从细胞分化的角度说其本质是一样的：都是迫使某些特化细胞发生去分化→再分化的逆转全过程。但是克隆的去分化、再分化得更彻底。

②复制希特勒、爱因斯坦、梦露是不现实，不可能的。

4、显示出克隆动物技术的可应用范畴尚待深入考察

（1）1999年外电报道，多莉克隆羊出现衰老迹象，与染色体端粒的缩短有关。每种生物的体细胞分裂次数是有一定的限数的，如胎儿的成纤维细胞体外培养传代50多次，而成人的只能传代20多次，细胞的寿命与染色体端粒的消减现象有关，端粒DNA在体细胞中每分裂复制一次就丢失一小段，随着岁月的增长端粒序列的缩短，决定了个体细胞的衰老。（生殖细胞和肿瘤细胞除外，因为有端粒酶能修补端粒序列的缺口，不受细胞分裂次数的限制）

（2）多莉