《细胞学》教学课件：细胞分化5

1、徐锡金,细胞分化,cell differentiation,汕 头 大 学 医 学 院,Shantou University Medical College,指多细胞生物成长发育中，在一些内在机制作用下，细胞在结构、形态、生理功能及生化特征等方面逐渐产生稳定性差异，成为多种不同的细胞类型，以形成个体不同的组织、器官和系统。形成这种稳定性差异的过程称为细胞分化。,细胞分化 cell differentiation,内 容,第一节 细胞分化的基本概念 第二节 细胞分化的分子基础 第三节 细胞分化的影响因素 第四节 细胞分化的医学意义,第一节 细胞分化的基本概念,一、细胞分化-个体发育 二、细胞分化

2、的稳定性 三、细胞分化方向与细胞决定 四、分化细胞的去分化和转分化 五、细胞分化的时-空性 六、细胞分化与细胞的分裂,由单个受精卵产生的细胞，在形态结构、生化组成和功能等方面均有明显的差异，形成这种稳定性差异的过程称为细胞分化。,一、细胞分化-个体发育,精子,植入,胚泡,内细胞群 + 滋养层,细胞滋养层 合体细胞滋养层,二胚层胚盘,三胚层胚盘,胎盘/胎膜,上胚层/下胚层,原条,脊索,外胚层,神经嵴,PNS,轴旁中胚层,间介中胚层,侧 中 胚 层,中胚层,内胚层,胚胎各器官原基形成,原始消化管,受精,卵裂,卵子,受精卵,卵裂球,桑葚胚,CNS,神经管,神经褶,神经板,神经沟,(一)细胞分化方向动

3、物胚胎三胚层细胞的分化,（二）细胞分化潜能随细胞决定而逐渐受到限制,基因组保持全能性基础上的基因选择性表达 细胞分化潜能全能多能单能,1. 全能细胞（totipotent cell） 2. 多能细胞（pluripotent cell） 3. 单能细胞（unipotency）,（三）终末分化细胞的细胞核具有全能性,1. 爪蟾核移植实验,2. 哺乳动物核移植实验,二、细胞分化的稳定性（stability）,是指在正常生理条件下，已经分化为某种特异的、稳定类型的细胞一般不可能逆转到未分化状态或者成为其他类型的分化细胞。已分化的终末细胞在形态结构和功能上保持稳定是个体生命活动的基础。,细胞命运的决定简

4、称细胞决定。是指在个体发育过程中，细胞在发生可识别的分化特征之前，就已经决定了未来的发育命运，只能向特定方向分化的状态。,三、细胞决定（determination）选择细胞分化的方向,（一） 细胞决定先于细胞分化并制约着分化的方向,（二） 细胞决定的机制,（1）极性与不对称分裂,（2）细胞空间位置与细胞间相互作用,指存在于核酸蛋白颗粒（RNP）中的转录因子mRNA，在胞质中的分布不均等，分裂后导致子细胞命运的差异。,细胞决定信号某些基因的开放与永久性关闭,（三） 细胞决定的遗传稳定性,细胞决定表现出遗传稳定性。典型的例子是果蝇成虫盘（imaginal disc）细胞的移植实验。,（一）已分化的

5、细胞可发生去分化,在一般情况下已经分化为某种特异的、稳定类型的细胞不可能逆转到未分化状态或者成为其他类型的分化细胞。,而在某些条件下，分化了的细胞不能维持其分化状态，其基因活动模式也可发生可逆性的变化而重新回到未分化状态，这种变化过程称为去分化（dedifferentiation） 。,1970年Steward等用悬浮培养的胡萝卜单个细胞培养成可育的胡萝卜植株,四、细胞的去分化与转分化特定条件下已分化细胞,（二）已分化的细胞可发生转分化,在某些特定的条件下，已经分化的细胞由一种分化状态转变到另外一种分化状态的过程，称为转分化（transdifferentiation）。,生肌蛋白（myogen

6、in) 基因MyoD,成纤维细胞,脂 肪 细 胞,神 经 细 胞,成肌细胞,血细胞/脂肪细胞,成肌细胞,1. 细胞核必须处于有利于逆分化的环境中 2. 分化能力的逆转必须具有相应的遗传物质基础,五、细胞分化的时-空性,一个细胞在不同的发育阶段可以有不同的形态结构和功能，即时间上的分化；,同一种细胞的后代，由于每种细胞所处的空间位置不同，其环境也不一样，可以有不同的形态和功能，即空间上的分化。,六、细胞分化与细胞分裂状态和速度相适应,细胞分裂和细胞分化是多细胞生物个体发育过程中的两个重要事件，两者之间有密切的联系。,细胞在增殖的基础上进行分化 细胞分化发生于细胞分裂的G1期,细胞分裂旺盛时细胞分

7、化减慢 细胞分化较高时分裂速度减慢,细胞分化与细胞的分裂状态和速度相适应，细胞分化程度越高细胞分裂速度越慢。 许多调节细胞生长或死亡的细胞因子就是诱导细胞分化的外源信号。,细胞分化的基本概念小结,一、细胞分化贯穿于多细胞生物个体发育的全过程 二、细胞分化具有高度的稳定性 三、细胞分化的方向由细胞决定所选择 四、已分化的细胞在特定条件下可发生去分化和转分化 五、细胞分化的时-空性 六、细胞分化与细胞的分裂状态和速度相适应,第二节 细胞分化的分子基础,一、细胞分化的本质是基因组中不同基因的选择性表达,二、细胞分化的基因表达调控主要发生 在转录水平,三、小RNA通过调控蛋白质基因的表达 谱来决定细胞

8、分化,一、细胞分化是不同基因的选择性表达,（一）基因的差异表达是细胞分化的普遍规律,在胚胎发育过程中，细胞基因组严格按时空顺序相继活化这一现象称为基因的差异表达或顺序表达。,从一个受精卵开始，在个体发育的过程中逐步分化产生各种细胞类型和组织，这种分化就是不同特异性基因相继表达的结果。,输卵管细胞卵蛋清蛋白 胰岛素细胞胰岛素 成 红 细 胞- 珠蛋白,（differential expression/ sequential expression）,1. 奢侈基因与管家基因 (luxury protein) /(housekeeping gene),奢侈蛋白特异性蛋白赋予分化细胞的不同特点,管家蛋

9、白维持细胞生存的基本蛋白,由奢侈基因编码，仅存在于特定的分化细胞中，赋予分化细胞不同特征的特异性蛋白。如编码红细胞血红蛋白，肌细胞的肌球蛋白和肌动蛋白等的基因属此类。,由管家基因表达，存在于所有分化类型细胞中，维持细胞生存所必需的基本蛋白，如细胞骨架蛋白、膜蛋白、染色质的组蛋白、核糖体蛋白。,奢侈基因:,编码细胞特异性蛋白,从分子层次看，细胞分化主要是奢侈基因中某种（或某些）特定基因选择性表达的结果。某些基因的选择性表达合成了执行特定功能的蛋白质，从而产生特定的分化细胞类型。,管家基因:,编码细胞结构蛋白,1997年英国伊恩博士克隆出 “多莉”羊,细胞分化不是由于基因丢失或永久性地失去活性而造

10、成，维持发育所需要的基因并没有发生不可逆的改变，当体细胞核暴露于卵细胞质中之后，他的作用就如同一个受精卵的细胞核基因一样。,成熟分化的细胞保留着全部核基因组,1964年Gurdon等进行的非洲爪蟾实验,2. 分化成熟细胞的细胞核支持卵的发育,3. 细胞融合改变已分化细胞的基因表达活性,分化终末细胞基因具有可逆性,鸡红细胞 人癌细胞,融合,4. 转分化改变一个细胞的分化状态,一些基因处于活化状态，同时其他基因被抑制而不活化,（二）细胞分化过程中基因组的改变,1. 特定基因的选择性扩增,2. 在分化过程中遗传物质的丢失,3. 分化细胞的基因重排,染色体多次复制多倍体（polyploid）/ 多线体

11、（polyteny） 卵巢中的营养细胞、唾液腺细胞,马蛔虫卵 红细胞 （骆驼除外） 皮肤 / 羽毛 / 毛发角化细胞,B淋巴细胞,二、细胞分化的基因表达调控,1. 细胞分化的基因表达调控可发生在 转录水平 翻译水平 蛋白质修饰水平,2. 由转录因子介导的转录水平调控对 细胞分化的作用最大 基因调控区该基因结合位点 转录因子的转录活性 转录因子调节蛋白的调控,概述,（一）组织细胞特异性转录因子和活性染色质结构区 决定了细胞特异性蛋白的表达,1. 转录调节因子与基因调控区域（control region）,转录因子 转录因子调节蛋白,启动子区,其他能调节基因表达的DNA位点,为大量基因转录所需，并

12、在许多细胞类型中都存在的因子。,为特定基因或一系列组织特异性基因所需要，并在一个或很少的几种细胞类型中存在的因子。,（1）通用转录因子：,（2）组织细胞特异性转录因子：,红细胞血红蛋白EFI 因子 胰岛细胞胰岛素Is1-因子 骨骼肌肌球蛋白MyoDI 因子,2. 组织细胞的转录因子,3. 活性染色质结构与基因转录：,血红蛋白珠蛋白基因表达调控特点,1. 特定细胞系谱的分化,受精卵第一次卵裂后的卵裂球，在个体发育中，通过细胞分裂产生大量多代各种成体细胞、祖细胞与分化细胞的先后连续的宗系关系被称为细胞系（cell lineage）。,2. 特定系谱细胞形成过程中，转录基因的作用方式：,（1）一个关

13、键基因调节蛋白的表达能同时调控几 个基因的表达,（2）组合调控 一些基因调节蛋白的组合能产 生许多类型细胞,（二）发育过程中基因的独特调节方式启动特定系谱 细胞的分化,（1） 一个关键基因调节蛋白的表达 能同时调控几个基因的表达,脊椎动物骨骼肌细胞分化机制,在哺乳动物的成肌细胞向肌细胞分化过程中，myoD基因起重要作用。,（2）组合调控 一些基因调节蛋白的组合能产生许多类型细胞,（三）染色质成分的共价修饰制约基因的转录,1. DNA的甲基化,2. 组蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、 糖基化和羰基化,DNA和组蛋白的修饰都会引起染色质结构和基因转录活性的变化。染色质成分的共价修饰在基因转录

14、调控上的作用是可遗传的。,1. DNA甲基化在转录水平上调控细胞分化的基因表达, DNA甲基化概念,分布：常见于富含CG二核苷酸的CpG岛，主要集中于异染色质区，其余则散在于基因组中。,在甲基转移酶催化下，DNA分子中的胞嘧啶可转变成5-甲基胞嘧啶，这称为DNA甲基化。,含量：哺乳动物基因组中约70%80%的CpG位点是甲基化的。,作用：DNA的甲基化位点阻碍转录因子结合，甲基化程度越高，DNA转录活性越低。,人类胚胎红细胞中珠蛋白基因的甲基化,甲基化（DNA methylation）能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。 ）在甲基转移

15、酶的催化下，DNA的CG两个核苷酸的胞嘧啶被选择性地添加甲基，形成5甲基胞嘧啶，这常见于基因的5-CG-3序列。大多数脊椎动物基因组DNA都有少量的甲基化胞嘧啶，主要集中在基因5端的非编码区，并成簇存在。甲基化位点可随DNA的复制而遗传，因为DNA复制后，甲基化酶可将新合成的未甲基化的位点进行甲基化。DNA的甲基化可引起基因的失活。 DNA甲基化主要形成5甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基嘌呤（N6-mA）及7甲基鸟嘌呤（7-mG） 结构基因含有很多CpG 结构, 2CpG 和2GPC 中两个胞嘧啶的5 位碳原子通常被甲基化, 且两个甲基集团在DNA 双链大沟中呈特定三维结构。基因组中6

16、0% 90% 的CpG 都被甲基化, 未甲基化的CpG 成簇地组成CpG 岛, 位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点。有实验证明超甲基化阻遏转录的进行。DNA 甲基化可引起基因组中相应区域染色质结构变化, 使DNA 失去核酶限制性内切酶的切割位点, 以及DNA 酶的敏感位点, 使染色质高度螺旋化, 凝缩成团, 失去转录活性。5 位C 甲基化的胞嘧啶脱氨基生成胸腺嘧啶, 由此可能导致基因置换突变, 发生碱基错配: T2G, 如果在细胞分裂过程中不被纠正,就会诱发遗传病或癌症, 而且, 生物体甲基化的方式是稳定的, 可遗传的。,（1）甲基化直接干扰转录因子与启动子中特定的结 合位点的结合； （

17、2）甲基化引起基因沉默可能是有特异的转录抑制 因子直接与甲基化DNA结合引起； （3）染色质结构的改变。, DNA 甲基化导致基因失活/沉默的可能机制,2. 组蛋白的乙酰化和去乙酰化影响 转录因子与DNA的结合,组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为组蛋白密码（histone code），它决定了染色质转录活跃或沉默的状态。 组蛋白乙酰化：在组蛋白乙酰基转移酶作用下，于组蛋白N-端尾部的赖氨酸加上乙酰基。 乙酰化的作用：在大多数情况下，组蛋白乙酰化有利于基因转录。低乙酰化的组蛋白通常位于非转录活性的常染色质区域或异染色质区域。,（四）同源异形框基因规划机体 前后体轴结构分化与发育蓝图

18、,广泛存在于从酵母到人类的各种真核生物中的基因，其特点是基因中存在共同的180bp的DNA片段，编码高度同源的60个氨基酸。这个共同的180bp DNA片段被称为同源异形框，含有同源异形框的基因谓之同源异形框基因，如果蝇的HOM 基因，动物和人类的Hox基因。,是含有同源异形框的基因编码 DNA结合蛋白，调控基因的表达和控制器官发生与细胞分化。,1. 同源异形框基因 （homeobox gene） ：,2. 同源异形域蛋白（homeodomain protein）：,不同生物同源异形框编码的氨基酸序列比较,高度保守的60个氨基酸片段，为一种螺旋-环-螺旋结构，其中的9个氨基酸（第4250位）与

19、DNA的大沟相结合，能识别其所控制的基因启动子中的特异序列，引起特定基因表达的激活或阻抑。,3. 同源异形框基因的结构,4. HOM或Hox基因在染色体上的排列顺序与其在体内的不同时空表达模式相对应：,这些基因激活的时间顺序表现为越靠近前部的基因表达越早，而靠近后部的基因表达较迟。,这些基因表达的空间顺序表现为头区的最前叶只表达该基因簇的第一个基因，而身体最后部则表达基因簇的最后一个基因。,果蝇和小鼠同源异形框基因及其表达模式,三、小RNA在细胞分化中的作用,小RNA 是长度约在2030个核苷酸（nt）的非编码RNA。,1. 微小RNA（microRNA, miRNA）：前体为7090nt，由

20、具有核糖核酸酶性质的Drosha和Dicer酶加工而成（22nt）。,2. 小干扰RNA （small interfering RNA, siRNA）:来源于外源性的长双链RNA，是Dicer酶解产物（2128nt） 。,3. piRNA （Piwi-interrating RNA, piRNA）：小鼠发育中发现（2631nt）。,4. hsRNA (heterochromatin associated small RNA),1. 在转录后水平调控蛋白基因表达 2. 转录抑制作用,小RNA 的种类：,miRNA主要功能：,细胞分化的分子基础小结,一、细胞分化的本质是基因组中不同基因的选择性表达

21、,二、细胞分化的基因表达调控主要发生在转录水平,三、小RNA通过调控蛋白质基因的表达谱来决定细胞分化,第三节 细胞分化的影响因素,一、胞质中的细胞分化决定因子与传递 方式影响细胞分化的命运 二、胚胎细胞间相互作用协调细胞分化 的方向 三、激素是不相邻的远距离的细胞间相 互作用的分化调节因子 四、细胞分化的方向可因环境因素的影 响而改变,成熟卵细胞： 20 000-50 000 RNA(mRNA)受精 mRNA翻译蛋白质 mRNA的特点： 胞质中分布不均 决定细胞发育命运,一、细胞质在胚胎早期细胞命运的决定和 细胞分化方向上起重要作用,（一）母源效应基因产物的不均等分布,受精前后bicoid基因

22、mRNA及翻译蛋白的浓度梯度分布,在卵质中呈极性分布、在受精后被翻译为在胚胎发育中起重要作用的转录因子和翻译调节蛋白的mRNA分子，它们在细胞发育命运的决定中起重要作用。,母体效应基因（maternal effect gene）产物：,（二）胞质的不均等分配,在胚胎早期发育过程中，细胞质成分是不均质的，胞质中某些成分的分布有区域性。当细胞分裂时，细胞质成分被不均等地分配到子细胞中，这种不均一性胞质成分可以调控细胞核基因的表达，在一定程度上决定细胞的早期分化。,二、胚胎细胞间相互作用协调细胞分化的方向,（一）细胞间的相互诱导分化,1. 胚胎诱导（embryonic induction）：,2.

23、胚胎诱导的特点：,是胚胎发育过程中，一部分细胞对邻近细胞产生影响并决定其分化方向的现象。,胚胎细胞间的相互诱导作用是有层次的。在三个胚层中，中胚层首先独立分化，该过程对相邻胚层有很强的分化诱导作用，促进内胚层、外胚层各自向相应的组织器官分化。,眼球发育过程中的多级诱导作用 A 初级诱导 B 次级诱导 C 三级诱导,（二）信号分子介导的信息传递,胚胎诱导是通过诱导组织释放的各种旁分泌因子（paracrine factor）实现的。这些旁分泌因子以诱导组织为中心形成由近及远的浓度梯度，它们与反应组织细胞表面的受体结合，将信号传递至细胞内，通过调节反应组织细胞的基因表达而诱导其发育和分化。,旁分泌因

24、子是诱导性蛋白，对诱导蛋白进行应答反应的一些分子，包括位于应答细胞膜上的与旁分泌因子结合的受体，以及将结合受体的信号传递到细胞核过程中的一系列相互作用的蛋白子。,1. 旁分泌因子与胚胎诱导,2. 近分泌相互作用与胚胎诱导,3. 位置信息在胚胎诱导中的作用,在组织器官建成中，细胞受某种发育指令的控制，从而使动物躯体的组织器官大小、形态受到控制。在特化区域中,细胞生长在空间上的局限性对形态发生具有重要作用，可使特化的组织器官保持一定大小形态和空间位置。由此，位置信息就是使细胞能正确地按发育指令进行形态建成。,是指在胚胎发育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。,在具有相同分

25、化命运的胚胎细胞中，如果一个细胞“试图”向某个特定方向分化，那么，这个细胞在启动分化指令的同时也发出另一个信号去抑制邻近细胞的分化，这种现象被称为侧向抑制。见于脊椎动物的神经板细胞向神经前体细胞分化过程中。,1. 抑制（inhibition） ：,2. 侧向抑制（lateral inhibition） ：,（三）胚胎细胞分化的抑制,在细胞分化和胚胎发育过程中，细胞之间除了有胚胎诱导外，还存在相互抑制分化的作用。例如,把一个正在发育的蛙胚放到含有一片成体蛙心组织的培养液中培养，胚胎不能发育出正常的心脏。若没有这片蛙心，胚胎就可以正常发育。,激素对细胞分化的影响可看作是远距离细胞间的相互作用，这种

26、作用出现在发育的晚期，激素引起的反应是按预先决定的分化程序进行的，其作用主要是引起靶细胞进行分化。,三、激素与细胞分化,激素影响动物发育过程中的变态（metamorphosis）效应。无尾两栖类的幼体发育要经过一变态阶段，在此阶段中发生的变化有蝌蚪的尾鳍和尾部被吸收，前后肢形成等。这些变化与甲状腺分泌的甲状腺素和三碘甲状腺氨酸有关系。,激素和某些细胞因子对哺乳动物性别分化的调节。,四、细胞分化方向与环境影响,细胞分化的方向可因环境影响而改变。目前已了解到，物理的、化学的和生物性因素均可对细胞的分化与发育产生重要影响。,两栖类动物受精卵的背-腹轴决定，与重力有关。,在低等脊椎动物，性别决定与分化受环境因素的影响较大，如温度。,哺乳类动物（包括人类）B 淋巴细胞的分化与发育则依赖于外来性抗原的刺激。,细胞分化的影响因素小结,一、胞质中的细胞分化决定因子与传递 方式影响细胞分化的命运 二、胚胎细胞间相互作用协调细胞分化 的方向 三、激素是不相邻的远距离的细胞间相 互作用的分化调节因子 四、细胞分化的方向可因环境因素的影 响而改变,第四节 细胞分化的医学意义,一、细胞分化与肿瘤发生密切相关 二、细胞分化与再生过程密切相关,一、细胞分化与肿瘤发生密切相关,（一）肿瘤细胞的增殖失控,（二）肿瘤的细胞分化障碍,（三）肿瘤细胞