第四版-第15章-细胞分化与胚胎发育课件

第15章细胞分化与胚胎发育第15章细胞分化与胚胎发育1MaincontentCelldifferentiationBasicconceptionCelltortipotencyStemcellThefacorsaffectingcelldifferentiationDevelopmentalcelldifferentiationMaincontentCelldifferentiati2Section1:celldifferentiation脊椎动物细胞分化示意图Section1:celldifferentiati3一、Basicconceptionofcelldifferentiation/wikipedia/commons/3/3c/Stem_cells_diagram.pngCelldifferentiation:Theprocessofthecellfrommulticellularorganismbeabletodifferentiateintoaspecificcelltype,inaddtion,maitainsitschoicethroughmanysubsequentgenerations.在个体发育中，由一种相同的细胞类型经由细胞分裂后逐渐在形态，结构和功能上形成稳定性差异，产生不同细胞类群的过程称为细胞分化。一、Basicconceptionofcelldif4（一）Celldifferentiationresultsfromgenedifferentialexpression

输卵管

细胞成红细胞胰岛β细胞输卵管

细胞成红细胞胰岛β细胞卵清蛋白基因探针++++--β-珠蛋白基因探针+++-+-胰岛素基因探针+++--+实验方法Southern杂交Northern杂交分子杂交技术检测基因及其mRNA的表达（一）Celldifferentiationresult5（二）HousekeepinggeneandtissuespecificgeneHousekeepinggene(管家基因)Expressedinallcells,theirgeneproductsareessentialforcellmetabolism.ReplicatedduringtheearlySphase.RT-PCRofXRRA1andahouse-keepinggeneG3PDHfromHCT116clonestreatedwithX-radiation,variouscancerandnormalcells,andnormaltissues/organs甘油醛-3-磷酸脱氢酶（二）Housekeepinggeneandtiss6Tissuespecificgene(组织特异性基因)Differentialexpressedintissuesthuskeeptheirspecificmorphology,structureandfunction.ReplicatedduringtheearlySphaseinthecellwherethegeneisexpressed.RepliactedduringthelateSphaseinthecellwherethegeneisnotexpressed.RT-PCRofXRRA1andahouse-keepinggeneG3PDHfromHCT116clonestreatedwithX-radiation,variouscancerandnormalcells,andnormaltissues/organs（二）Housekeepinggeneandtissuespecificgene甘油醛-3-磷酸脱氢酶RT-PCRofXRRA1andahouse-ke7（三）CombinatorialgenecontrolcreatesmanydifferentcelltypesinEucaryotes

（三）Combinatorialgenecontrol8（四）ThesinglegeneregulatoryproteincantriggertheformationofanentireorganMyoDisaproteinwithakeyroleinregulatingmuscledifferentiation.MyoDbelongstoafamilyofproteinsknownasmyogenicregulatoryfactors(MRFs)sharingbHLH(basichelixloophelix)structuresastranscriptionfactors.（四）Thesinglegeneregulatory9（五）celldifferentiationalsobeemployedfortheprotozoantoadjusttheenvironmenthttp://19/Ch09/index_files/lifecycle.gifThelifecycleoftheslimemolds黏菌繁殖过程示意（五）celldifferentiationalsob10（六）TransdifferentiationTransdifferentialtion(转分化):

一种分化类型的细胞转变成另一种类型的分化细胞的现象称为转分化。

去分化：分化细胞失去其特有结构与功能变成为未分化细胞细胞特征过程。再分化：未分化细胞重新特化过程。（六）TransdifferentiationTransdi11（七）Regeneration蝾螈肢体的切除再生Regeneration(再生）广义再生涉及细胞，组织，器官以及个体水平。一般指生物体缺失部分后重建过程。

（七）Regeneration蝾螈肢体的切除再生Regen12MaincontentCelldifferentiationBasicconceptionCelltortipotencyStemcellThefacorsaffectingcelldifferentiationDevelopmentalcelldifferentiationMaincontentCelldifferentiati13二,celltotipotencyCelltotipotency:

Thecell’scapacitytoformanentireorganism.

e.g.:Humandevelopmentbeginswhenaspermfertilizesaneggandcreatesasingletotipotentcell.Inthefirsthoursafterfertilization,thiscelldividesintoidenticaltotipotentcells.Approximatelyfourdaysafterfertilizationandafterseveralcyclesofcelldivision,thesetotipotentcellsbegintospecialize.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。二,celltotipote14PlantcelltotipotencyPlantcelltotipotency15nucleustotipotency-爪蟾核移植实验全能性细胞核

（totipotentnucleus）终末分化细胞的细胞核仍然具有全能性Nucleartransferexperiment证明细胞核的全能性nucleustotipotency-爪蟾核移植实验全能性16nucleustotipotency-哺乳动物体细胞核移植nucleustotipotency-哺乳动物体细胞核移17MaincontentCelldifferentiationBasicconceptionCelltortipotencyStemcellThefacorsaffectingcelldifferentiationDevelopmentalcelldifferentiationMaincontentCelldifferentiati18

三,StemcellDefiningproperties:1,notterminallydifferentiated2,dividewithoutlimit3,itstwodaughtercellswiththechoicestoberemainstemcellorbeterminaldifferentiated/?page_id=40三,Stem19CategoryofstemcellTotipotentstemcellPluripotentstemcellUnipotentstemcell/bls/stemcells/types-of-stem-cells.shtmlDifferentialpotentialCategoryofstemcellhttp://de20CategoryofstemcellTotipotentstemcell

(全能干细胞)：具分化产生三个胚层中的各种类型的细胞，能发育成胚盘组织，产生子代个体。

如哺乳动物全能干细胞：受精卵与卵裂早期细胞。CategoryofstemcellTotipoten21CategoryofstemcellTortipotentstemcellPluripotentstemcell

Unipotentstemcell/bls/stemcells/types-of-stem-cells.shtmlDifferentialpotentialCategoryofstemcellhttp://de22CategoryofstemcellPluripotentstemcell(多能干细胞)：在一定条件下，能分化产生3个胚层中的各种类型的细胞并形成器官的一类干细胞，如胚胎干细胞和生殖嵴干细胞。CategoryofstemcellPluripote23CategoryofstemcellTortipotentstemcell

PluripotentstemcellUnipotentstemcell/bls/stemcells/types-of-stem-cells.shtmlDifferentialpotentialCategoryofstemcellhttp://de24CategoryofstemcellUnipotentstemcell(单能干细胞)：能分化产生一种或几种类型的细胞。e.g.神经干细胞神经元寡突胶质细胞星形胶质细胞CategoryofstemcellUnipotent25Sourcesdifference/bls/stemcells/types-of-stem-cells.shtmlCategoryofstemcellEmbryonicStem(ES)cell:胚胎干细胞AdultStem(AS)cell:成体干细胞Sourcesdifferencehttp://dels-26EmbryonicStemCell人胚胎干细胞建系示意EmbryonicStemCell人胚胎干细胞建系示意27人胚胎干细胞定向诱导分化EmbryonicStemCell人胚胎干细胞定向诱导分化EmbryonicStemCel28Producingstemcellsfromembryosandsomaticcellnucleartransfer.au/nova/079/079print.htmProducingstemcellsfromembr29somaticcellnucleartransferderivedstemcellsomaticcellnucleartransfer30/bls/stemcells/types-of-stem-cells.shtmlComparisonofESCandASC/bls/st31InducedPluripotentStemCell(iPS)InducedPluripotentStemCell32InducedPluripotentStemCell(iPS)/life-science/stem-cell-biology/ipsc.htmlOct4Sox2c-mycKLF4诱导多能干细胞：性质类似胚胎干细胞,具多样分化潜能。InducedPluripotentStemCell33Cellengineering生殖性克隆治疗性克隆再生医学组织工程Cellengineering生殖性克隆34MaincontentCelldifferentiationBasicconceptionCelltortipotencyStemcellThefacorsaffectingcelldifferentiationDevelopmentalcelldifferentiationMaincontentCelldifferentiati35四,thefactorsaffectingcelldifferentiation/img/Epigenomics.png四,thefactorsaffectingcell36（一）Cytoplasmnonhomogeneityfromthefertilizedeggforcelldifferentiation隐蔽mRNA决定子（determinent）果蝇卵在受精后2小时内只进行核分裂,胞质不分裂，形成合胞体胚胎。随后核向卵边缘迁移，细胞的分化命运决定于核迁入不同的细胞质区域。迁入卵后端生殖质（germplasm）中的最终分化为生殖细胞。证明了果蝇卵细胞后端存在决定生殖细胞分化的细胞质成分即生殖质就是种质细胞的决定子Figure22-28aMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)（一）Cytoplasmnonhomogeneityfr37（二）extracellularsignalsforcelldifferentiation近端组织的相互作用（promixatetissueinteraction）主要通过细胞旁分泌产生信号分子来实现（二）extracellularsignalsforc38胚胎诱导（embryonicinduction）胚胎诱导（embryonicinduction）39（三）cell-cellinteractionandpositioneffect位置效应（positioneffect）细胞所处的位置不同对细胞分化命运的影响位置信息（sonichedgehog信号）在翅膀发育中的作用（三）cell-cellinteractionand40Celldetermination:一个细胞接受了指令，在发育中这一细胞及其子代细胞将区别于其他细胞而分化成某种特定细胞类型。（四）cellmemoryanddeterminationCelldetermination:一个细胞接受了指令，41果蝇幼虫成虫盘：一些未分化的细胞群，在幼虫变态过程中，不同的成虫盘发育为成虫不同的器官。（四）cellmemoryanddetermination果蝇幼虫成虫盘：一些未分化的细胞群，在幼虫变态过程中，不同的42果蝇成虫盘细胞决定状态的移植实验成虫盘移植实验（四）cellmemoryanddetermination果蝇成虫盘细胞决定状态的移植实验成虫盘移植实验（四）cell43（四）cellmemoryanddetermination细胞记忆正反馈途径（positivefeedbackloop），即细胞接受信号刺激后，激活转录调节因子，该因子不仅诱导自身基因表达，还诱导其他组织特异性基因的表达染色体结构变化（DNA与蛋白质相互作用及其修饰）信息传到子代细胞（四）cellmemoryanddeterminati44（五）environmentforsexdetermination环境因素对细胞分化可产生影响，并进而影响到生物个体发育通过细胞自身的遗传机构发挥作用AnimalReproductionScience,1998,53:77–86Fig.1.Temperature-dependentsexdeterminationintheAmericanalligator(Alligatormississippiensis),thered-earedsliderturtle(Trachemysscriptaelegans),andthealligatorsnappingturtle(Macroclemystemminckii).（五）environmentforsexdetermi45（六）chromatinchangeandgenerearrangement/content/figures/ar2594-3-l.jpg细胞分化过程中，胞内染色体会部分丢失，如红细胞以及马蛔虫卵裂。基因重排是细胞分化一种特殊方式，在B淋巴细胞中，其DNA经历断裂丢失与重排进而利用有限基因资源表达极丰富抗体。（六）chromatinchangeandgener46MaincontentCelldifferentiationBasicconceptionCelltortipotencyStemcellThefacorsaffectingcelldifferentiationDevelopmentalcelldifferentiationMaincontentCelldifferentiati47Section2：DevelopmentalcelldifferentionSection2：Developmentalcelld48一、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。一、GermcelldifferentiationB49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性腺是一个极为特殊的器官http://www.devbio.50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--51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。Sry基因在XY小鼠性腺体细胞刚分化为sertolicell之前的体细胞中表达,随后消失。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

这个基因它被发现于XY男性和极少的XX男性。睾丸决定因52SRY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

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53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。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54SRY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。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55

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)SRY启动Sox9表达，开启保守‘精巢形成途径’Figur56Sox9：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)Sox9：脊椎动物核心雄性决定因子SRY启动Sox9表57

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)结合自己的启动子，维持其表达。Sox9：保守的‘58FGF9：*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FGF9FGF9：Sox9持续表达依赖胞外信号分子FGF959Wnt4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