細胞生物學14PPT課件

1、 不同生物具有不同的發(fā)育模式，但都涉及： 細胞增殖 細胞分化 細胞間的相互作用。 細胞分化（differentiation）是指細胞后代在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生差異的過程。第1頁/共41頁第一節(jié) 細胞分化的特點第2頁/共41頁一、細胞的分化潛能 細胞分化能力的強弱稱為分化潛能。 動物受精卵的分化潛能稱為全能性。 干細胞：有分化潛能的動物細胞。分為：全能干細胞、多能干細胞、單能干細胞。 單能干細胞只能分化為一種類型的細胞，也稱為祖細胞，自我更新能力有限。第3頁/共41頁Fertilized ovum has totipotency第4頁/共41頁Well differentiated plant

2、 cells keep their totipotency第5頁/共41頁 Strachan T, Read A 2003第6頁/共41頁 干細胞的特征： 終生保持未分化或低分化特征； 在機體的中的數(shù)目、位置相對恒定； 具有自我更新能力； 能無限制的分裂增殖； 具有多向分化潛能； 分裂的慢周期性，絕大多數(shù)處于G0期； 可行不對稱分裂。第7頁/共41頁 根據(jù)個體發(fā)育過程中出現(xiàn)的次序，干細胞又可分為胚胎干細胞和成體干細胞。 胚胎干細胞（ESC）是從胚胎內(nèi)細胞團或原始生殖細胞篩選分離出的具有多能性或全能性的細胞。 ESC的用途主要有：動物克隆；動物轉(zhuǎn)基因；組織工程。第8頁/共41頁二、細胞分化的特點

3、 1. 時空性 細胞分化的實質(zhì)是在細胞質(zhì)（信號系統(tǒng)）和細胞核（基因組）共同作用下，選擇性地表達特定的基因，稱為差別基因表達。 已分化細胞的胞質(zhì)RNA與核DNA雜交率低于10。 細胞表達的基因分為：管家基因、組織特異性基因或奢侈基因。第9頁/共41頁 高度分化的動物細胞也具有完整的基因組。 證明方法：原位雜交、核移植。 Briggs和King（1952，1960），豹蛙（Rana pipiens）核移植。 Gurdon等（1975），成蛙蹼上皮細胞核移植。 童第周等20世紀60年代，魚類核移植。 Ian Wilmut（1997）克隆Do11y sheeep。第10頁/共41頁 2.定向性 隨著細

4、胞的分裂和分化，發(fā)育方向逐漸被限定，稱為決定（determination）。 決定意味著基因活動模式改變。 例：哺乳動物桑椹胚的內(nèi)細胞團和外圍細胞，前者形成胚胎、后者形成滋養(yǎng)層。 無脊椎動物早期的卵裂球已經(jīng)決定，每個卵裂球只能形成身體的一部分。第11頁/共41頁 3. 穩(wěn)定性 動物細胞發(fā)生分化之后，其遺傳表型保持穩(wěn)定，通常是不可逆的。 例：果蠅幼蟲的成蟲盤移植到成蟲體內(nèi)不發(fā)生細胞分化，可繼續(xù)增殖或移植。如將其再移植回變態(tài)期幼蟲體內(nèi)則又能按原來已決定的命運分化。第12頁/共41頁 4. 條件可逆性 在特定條件下，分化細胞的基因活動模式可發(fā)生可逆的變化，又回到未分化狀態(tài)，稱為去分化。 例1：植物愈

5、傷組織。 例2： 果蠅觸角成蟲盤經(jīng)多次移植后，部分成蟲盤可分化為成體的腿、翅或口器，這種現(xiàn)象稱為轉(zhuǎn)決定。第13頁/共41頁 5. 普遍性 個體一生中都進行著細胞分化。干細胞是細胞更新和組織修復的基礎(chǔ)。 一種組織的成體干細胞傾向于分化成該組織的各種細胞，但特定條件下，可分化成其它組織的功能細胞，稱為轉(zhuǎn)分化或橫向分化。 高度分化的細胞不再分裂，對電離輻射敏感性低，而各種干細胞則不然。第14頁/共41頁三、細胞分化和增殖的關(guān)系 增殖信號和分化信號同時作用于干細胞，表現(xiàn)為邊分化邊增殖（反之亦然）； 增殖和分化分別獨立進行，一些干細胞只增殖不分化，另一些同類干細胞進入終末分化； 細胞分化與分裂平行進行，

6、干細胞進行不對稱分裂，產(chǎn)生的子細胞一個保持原有干細胞特性，一個則進入終末分化。第15頁/共41頁第二節(jié) 細胞分化的主要機制第16頁/共41頁 autonomous mechanism：胚胎發(fā)育的早期細胞分裂由受精卵中的細胞質(zhì)控制，不涉及細胞通信。 inductive mechanism：隨著胚胎發(fā)育的進行細胞之間主要通過信號系統(tǒng)協(xié)調(diào)分裂、分化和細胞的行為，稱為。 細胞的分化命運主要取決于：細胞的內(nèi)部特性，外部環(huán)境。第17頁/共41頁 卵細胞具有極性，細胞核靠近北極。 卵細胞中貯存有大量mRNA，是母源基因的產(chǎn)物， 維持卵細胞和早期胚胎代謝；呈非均勻分布，決定胚胎發(fā)育的圖式（pattern）。

7、合子基因在卵裂后期才發(fā)揮作用。一、細胞分裂的不對稱性第18頁/共41頁用放線菌素D處理海膽受精卵，胚胎發(fā)育能進行至囊胚期；嘌呤霉素處理，受精卵停止發(fā)育。 果蠅母源基因在滋養(yǎng)細胞中轉(zhuǎn)錄后，輸入卵細胞，沿微管轉(zhuǎn)運到特定部位?；虍a(chǎn)物沿卵的前后和背腹軸形成濃度梯度，決定胚胎形態(tài)，稱為成形素（morphogen）。卵裂后的細胞質(zhì)特性決定了子細胞的分化命運。第19頁/共41頁二、誘導機制 誘導（induction）是一部分細胞誘導其它細胞向特定方向分化的現(xiàn)象，也叫胚胎誘導。 對其它細胞起誘導作用的細胞稱誘導者(inductor)，如脊索可誘導其頂部的外胚層發(fā)育成神經(jīng)板，神經(jīng)溝和神經(jīng)管。 響應誘導信號的同

8、類細胞叫做形態(tài)發(fā)生場。第20頁/共41頁三、分化抑制 分化成熟的細胞可以產(chǎn)生“抑素”，抑制相鄰細胞發(fā)生同樣的分化。如含有成蛙心組織的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚，則蛙胚不能發(fā)育出正常的心臟。 “抑素” 是TGF-家族的成員。如 myostatin是肌肉生長的負調(diào)控因子， GDF11（Wu等2003）通過上調(diào)細胞周期抑制因子p27抑制神經(jīng)組織生長。第21頁/共41頁Mouse myostatin mutant (right)Double-muscled mouse第22頁/共41頁Function of the myostainThe so called chalone is the protein belo

9、nging to TGF- family, such as myostain第23頁/共41頁Belgian Blue bullDouble-muscled cattle第24頁/共41頁四、細胞數(shù)量效應 例1. 小鼠胚胎胰腺原基在體外培養(yǎng)，可發(fā)育成胰腺組織，如切成8小塊分別培養(yǎng)，則不能。再把分開的小塊合起來，又可形成胰腺組織。 例2. Fisher（1967）將大量腫瘤細胞注射到小鼠肝臟門靜脈，小鼠很快死于腫瘤。只注射50個腫瘤細胞時，小鼠正常生存，手術(shù)檢查未發(fā)現(xiàn)任何腫瘤。術(shù)后關(guān)腹飼養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)小鼠很快死于肝腫瘤。第25頁/共41頁五、細胞外基質(zhì)的影響 ECM能與細胞表面的整合素相互作用，激活粘

10、著斑激酶（FAK），F(xiàn)AK可以通過接頭蛋白Grb2啟動Ras信號途徑，引起細胞增殖。 干細胞在IV型膠原和層粘連蛋白上形成上皮細胞；在I型膠原和纖粘連蛋白上分化為成纖維細胞；在II型膠原及軟骨粘連蛋白上發(fā)育為軟骨細胞。第26頁/共41頁六、激素的作用 例1. 哺乳動物雄性激素促進烏爾夫氏管，抑制繆勒氏管的發(fā)育，摘除胚胎睪丸，則促進謬勒氏管的發(fā)育，形成雌性生殖管道。 例2. 昆蟲的保幼激素和脫皮激素，兩者保持一定的比例時，幼蟲脫皮而長大；當保幼激素含量減少時，幼蟲化蛹，成蟲器官發(fā)育。成蟲期又開始合成保幼激素，促進性腺發(fā)育。第27頁/共41頁七、細胞核與細胞分化 （一）染色體結(jié)構(gòu)的變化 1. 基因

11、刪除：原生動物、節(jié)肢動物。 2 . 基因擴增：多線染色體、爪蟾卵母細胞rDNA。 3 . 基因重排：如Ig基因(106108種抗體)。 4 . DNA甲基化與異染色質(zhì)化：基因失活。第28頁/共41頁5. 基因印跡 Genomic imprinting，特點： 性別特異，同一等位基因僅表達父或母本基因； 印跡發(fā)生于配子形成過程中； 在胚胎的有絲分裂中能穩(wěn)定傳遞給子細胞； 遺傳給下一代時消除上一代遺傳的印跡，建立新的與性別有關(guān)的印跡。第29頁/共41頁 印跡基因的形成可能與差別修飾有關(guān)，如染色體特異性CpG島的甲基化作用。甲基轉(zhuǎn)移酶純和缺失的小鼠H19、IGF2及IGF2R印跡基因表達異常。 父源

12、表達和母源表達的印跡基因?qū)ε咛グl(fā)育的影響不同。 例.葡萄胎（hydatidiform mole）父本印跡；卵巢畸胎瘤（ovarian teratoma） 母本印跡。第30頁/共41頁（二）基因?qū)壍呐咛ピ缙诎l(fā)育的調(diào)控 調(diào)控基因：母源基因，分節(jié)基因和同源異形基因（homeotic gene，hox）。 母源基因的產(chǎn)物是轉(zhuǎn)錄因子，控制其它基因表達。 前部系統(tǒng)，Bicoid（bcd） 后部系統(tǒng)， Nanos（nos） 末端系統(tǒng)，Torso（tor） 背腹系統(tǒng)，背Dorsal（dl），腹cactus（cat）第31頁/共41頁 合子基因：分節(jié)基因、同源異形基因。 分節(jié)基因：控制胚胎分節(jié)，分為：間隙基

13、因、對控基因、體節(jié)極性基因。 間隙基因，產(chǎn)物將胚分為相當于3個體節(jié)的區(qū)域。 對控基因，將間隙基因分成的區(qū)域劃分為體節(jié)。 體節(jié)極性基因，在每個體節(jié)的前、后部細胞中表達，激活HOX基因，以形成和維持體節(jié)結(jié)構(gòu)。 HOX基因，決定每一體節(jié)的性質(zhì)與形態(tài)特征。第32頁/共41頁第33頁/共41頁 HOX的產(chǎn)物含含螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)，基因突變會引起同源形態(tài)結(jié)構(gòu)變異。特點： 1）基因呈簇存在，形成連鎖群； 2）DNA序列相似； 3）進化上高度保守； 4）基因表達程序化：5端的基因表達空間靠近胚胎尾部區(qū)域；反之，靠近胚胎前部區(qū)域。例：缺趾小鼠（Hoxa-13基因的雜合）、果蠅突變型。第34頁/共41頁HOX mutantAntenna leg第35頁/共41頁Bithorax mutant第36頁/共41頁八、同工結(jié)構(gòu)的變化 同工置換：在某一特定時期，一種細胞或分子被另一種相似、而能更好適應環(huán)境的同工型取代。 例，哺乳動物個體發(fā)育中： 有核紅細胞無核紅細胞 透明軟骨長骨 恒齒乳齒 血紅蛋白從胚胎型、胎兒型到成年型過渡。第37頁/共41頁九、成體中的細胞分化 已存在的細胞功能由弱、強、減退到喪失。經(jīng)歷新生