細胞生物學細胞分化

1、第十二章第十二章細胞分化細胞分化 human: 1014 cells, 200 cell types 由一種相同的細胞類型經(jīng)細胞分裂后逐漸在形由一種相同的細胞類型經(jīng)細胞分裂后逐漸在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上形成穩(wěn)定性差異，產(chǎn)生不同的態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上形成穩(wěn)定性差異，產(chǎn)生不同的細胞類群的過程稱細胞類群的過程稱為細胞分化。為細胞分化。細胞分化細胞分化 cell differentiation 上皮組織上皮組織 肌肉組織肌肉組織神經(jīng)組織神經(jīng)組織 結(jié)締組織結(jié)締組織細胞分化在胚胎時期細胞分化在胚胎時期達到最大限度達到最大限度細胞分化是基因選擇性表達的結(jié)果細胞分化是基因選擇性表達的結(jié)果分子雜交技術(shù)檢測基因及其表達分

2、子雜交技術(shù)檢測基因及其表達 如雞的輸卵管細胞合成卵清蛋白卵清蛋白，成紅細胞合成-珠蛋白，胰島細胞合成胰島素胰島素，這些細胞都是在個體發(fā)育中逐漸產(chǎn)生的。用上述三種蛋白的基因分別作探針上述三種蛋白的基因分別作探針，對三種細胞中提取的總dna的限制性酶切片段進行southern雜交實驗。 細細 胞胞 總總d n a 細細 胞胞 總總r n a 輸輸 卵卵 管管 細細 胞胞 成成 紅紅 細細 胞胞 胰胰 島島 細細 胞胞 輸輸 卵卵 管管 細細 胞胞 成成 紅紅 細細 胞胞 胰胰 島島 細細 胞胞 卵卵 清清 蛋蛋 白白 基基 因因 + + + + - - - - - -珠珠 蛋蛋 白白 基基 因因

3、+ + + - - + - - 胰胰 島島 素素 基基 因因 + + + - - - - + 實實 驗驗 方方 法法 southern雜雜 交交 n orthern雜雜 交交 管家基因是指所有細胞中均要表達的一類基因，其產(chǎn)物管家基因是指所有細胞中均要表達的一類基因，其產(chǎn)物是對維持細胞基本生命活動所必需的；是對維持細胞基本生命活動所必需的； 管家基因管家基因(house-keeping genes)： 或稱奢侈基因或稱奢侈基因(luxury genes)，是指不同的細胞類型，是指不同的細胞類型進行特異性表達的基因，其產(chǎn)物賦予各種類型細胞特異進行特異性表達的基因，其產(chǎn)物賦予各種類型細胞特異的形態(tài)結(jié)

4、構(gòu)特征與特異的功能。的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與特異的功能。 組織特異性基因組織特異性基因(tissue-specific genes)產(chǎn)物用于調(diào)節(jié)組織特異性基因的表達，起激活或者起阻產(chǎn)物用于調(diào)節(jié)組織特異性基因的表達，起激活或者起阻遏作用。遏作用。調(diào)節(jié)基因：調(diào)節(jié)基因：組合調(diào)控概念：組合調(diào)控概念：有限的少量調(diào)控蛋白啟動為數(shù)眾多的特異細胞類型的分化有限的少量調(diào)控蛋白啟動為數(shù)眾多的特異細胞類型的分化引發(fā)組織特異性基因的表達引發(fā)組織特異性基因的表達分化分化啟動機制：啟動機制： 在啟動細胞分化的各類調(diào)節(jié)蛋白組合中，其中往往是只在啟動細胞分化的各類調(diào)節(jié)蛋白組合中，其中往往是只有一兩種調(diào)控蛋白是起決定性的因子。這樣，單

5、一調(diào)控蛋白有一兩種調(diào)控蛋白是起決定性的因子。這樣，單一調(diào)控蛋白就有可能啟動整個的細胞分化過程。就有可能啟動整個的細胞分化過程。體外培養(yǎng)的來自皮膚結(jié)締組織的成纖維細胞體外培養(yǎng)的來自皮膚結(jié)締組織的成纖維細胞轉(zhuǎn)入關(guān)鍵性調(diào)控蛋白轉(zhuǎn)入關(guān)鍵性調(diào)控蛋白myod皮膚結(jié)締組織的成纖維細胞表現(xiàn)出骨骼肌細胞的特征皮膚結(jié)締組織的成纖維細胞表現(xiàn)出骨骼肌細胞的特征: :如表達大量的肌動蛋白和肌球蛋白構(gòu)成收縮器，并融合成如表達大量的肌動蛋白和肌球蛋白構(gòu)成收縮器，并融合成肌細胞樣的多核細胞等。肌細胞樣的多核細胞等。 借助于組合調(diào)控，一旦某種關(guān)鍵性基因調(diào)控蛋白與借助于組合調(diào)控，一旦某種關(guān)鍵性基因調(diào)控蛋白與其它調(diào)控蛋白形成適當?shù)?/p>

6、調(diào)控蛋白組合，不僅可以將一其它調(diào)控蛋白形成適當?shù)恼{(diào)控蛋白組合，不僅可以將一種類型的細胞轉(zhuǎn)化成另一種類型的細胞，而且遵循類似種類型的細胞轉(zhuǎn)化成另一種類型的細胞，而且遵循類似的機制，甚至可以誘發(fā)整個器官的形成的機制，甚至可以誘發(fā)整個器官的形成。ey蛋白除了能啟動細胞某些特異基因的表達，誘導某類分化外，其啟動的某些基因本身可能又是另一些基因調(diào)節(jié)蛋白，它們進一步啟動其他特異基因表達，誘導分化更多的細胞類型，形成由多種不同類型細胞組成的有序三維群體即導致器官形成。果蠅果蠅eyey基因轉(zhuǎn)入基因轉(zhuǎn)入第三節(jié)第三節(jié) 影響細胞分化的因素影響細胞分化的因素 是指細胞經(jīng)分裂和分化后仍具有產(chǎn)生完整有機體的潛能是指細胞經(jīng)

7、分裂和分化后仍具有產(chǎn)生完整有機體的潛能或特性?；蛱匦浴?細胞的全能性細胞的全能性(totipotency)：動物細胞的全能性動物細胞的全能性如蛙如蛙skin細胞核移植后發(fā)育成蝌蚪細胞核移植后發(fā)育成蝌蚪dolly羊的誕生說明高度分化的哺羊的誕生說明高度分化的哺乳動物體細胞核也具有發(fā)育全能性乳動物體細胞核也具有發(fā)育全能性dolly: a lamb with no father 細胞核始終保持其分化的全能細胞核始終保持其分化的全能 胚胎干細胞胚胎干細胞（embryonic stem cell,esembryonic stem cell,es細胞）細胞） 指從指從著著床前的內(nèi)細胞團床前的內(nèi)細胞團獲得的

8、一種具有多潛能性、獲得的一種具有多潛能性、可發(fā)育成為各種細胞可發(fā)育成為各種細胞、同時可保持不分化狀態(tài)而持續(xù)生長的克隆細胞系。同時可保持不分化狀態(tài)而持續(xù)生長的克隆細胞系。( 胚胎) 滋養(yǎng)層a.取自終止妊娠的胎兒的性器官組織。 人胚胎干細胞的來源人胚胎干細胞的來源b.取自體外受精胚胎囊胚期內(nèi)層細胞。c.c.通過體細胞核轉(zhuǎn)移技術(shù)獲得通過體細胞核轉(zhuǎn)移技術(shù)獲得胚泡受精后第受精后第 3.5 3.5 天的囊胚天的囊胚骨髓多能造血干細胞，它可分化出十二種血細胞，但不能分化出造血系統(tǒng)以外的其它細胞。多能干細胞（多能干細胞（stem cell） 動物細胞隨著胚胎的發(fā)育，細胞喪失了發(fā)育成個體的能力，僅具動物細胞隨著

9、胚胎的發(fā)育，細胞喪失了發(fā)育成個體的能力，僅具有分化成有限細胞類型及構(gòu)建組織的潛能，這種潛能稱為多潛能性。有分化成有限細胞類型及構(gòu)建組織的潛能，這種潛能稱為多潛能性。具有多潛能性的細胞稱為多能干細胞。具有多潛能性的細胞稱為多能干細胞。單能干細胞單能干細胞 monopotential stem cell終末分化終末分化:由定向干細胞最終形成特化細胞類型的過程由定向干細胞最終形成特化細胞類型的過程。 只能向一種類型或密切相關(guān)的兩種類型的細胞分化。如上只能向一種類型或密切相關(guān)的兩種類型的細胞分化。如上皮組織基底層的干細胞。皮組織基底層的干細胞。 從全能性到多能性，再到單能性，最后失去分化潛能從全能性到

10、多能性，再到單能性，最后失去分化潛能成為成熟定型的細胞。成為成熟定型的細胞。可以定義為一類具有分裂和分化能力的細胞。可以定義為一類具有分裂和分化能力的細胞。干細胞干細胞1胞外信號分子對細胞分化的影響胞外信號分子對細胞分化的影響 （二）影響細胞分化的因素（二）影響細胞分化的因素胚胎誘導胚胎誘導: :早期胚胎發(fā)育過程中，一部分細胞會影響周圍細胞早期胚胎發(fā)育過程中，一部分細胞會影響周圍細胞使其向一定方向分化，這種作用稱近端組織的相互作用，也使其向一定方向分化，這種作用稱近端組織的相互作用，也稱為胚胎誘導。稱為胚胎誘導。近端組織的相互作用是通過細近端組織的相互作用是通過細胞旁分泌產(chǎn)生的信號分子旁泌胞旁

11、分泌產(chǎn)生的信號分子旁泌素（又稱細胞生長分化因子）素（又稱細胞生長分化因子）來實現(xiàn)的。來實現(xiàn)的。 眼的發(fā)生中本身的逐級誘導過程眼的發(fā)生中本身的逐級誘導過程。正常情況下，早期的視泡誘導與之接觸的外胚層上皮細胞發(fā)育成晶狀體，隨后在視泡和晶狀體的共同誘導下外面的表皮細胞形成角膜。如果把早期的視泡移植在頭部的其它部位，也可誘導與之接觸的外胚層發(fā)育成晶狀體。例證 這種作用出現(xiàn)在發(fā)育的晚期這種作用出現(xiàn)在發(fā)育的晚期, ,激素引起的反應是按預激素引起的反應是按預先決定的分化程序進行的先決定的分化程序進行的, ,其作用主要是引起靶細胞進行其作用主要是引起靶細胞進行分化。分化。 例如無尾兩棲類的幼體發(fā)育要經(jīng)過一變態(tài)

12、階段例如無尾兩棲類的幼體發(fā)育要經(jīng)過一變態(tài)階段, ,在此在此階段中發(fā)生的變化有蝌蚪的尾鰭和尾部被吸收階段中發(fā)生的變化有蝌蚪的尾鰭和尾部被吸收, ,前后肢形前后肢形成等。這些變化與甲狀腺分泌的甲狀腺素有關(guān)系。成等。這些變化與甲狀腺分泌的甲狀腺素有關(guān)系。遠距離細胞間相互作用對細胞分化的影響主要是通過遠距離細胞間相互作用對細胞分化的影響主要是通過激素激素來調(diào)節(jié)的來調(diào)節(jié)的 例如例如果蠅成蟲盤果蠅成蟲盤的移植實驗。的移植實驗。果蠅成蟲盤是幼蟲體內(nèi)的果蠅成蟲盤是幼蟲體內(nèi)的未分化未分化的細胞團，決定成蟲的腿、翅、的細胞團，決定成蟲的腿、翅、觸角和軀體的其他結(jié)構(gòu)。觸角和軀體的其他結(jié)構(gòu)。將幼蟲的成蟲盤一部分進行移

13、植實驗將幼蟲的成蟲盤一部分進行移植實驗 ： 移植到另一幼蟲體內(nèi)移植到另一幼蟲體內(nèi)按決定方向發(fā)育分化。按決定方向發(fā)育分化。成蟲盤移植到成蟲體內(nèi)成蟲盤移植到成蟲體內(nèi)-果蠅腹腔不斷增殖保持未分化狀態(tài)，時間長果蠅腹腔不斷增殖保持未分化狀態(tài)，時間長達達9年，繁殖年，繁殖1800代后，再取出移植到幼蟲體內(nèi)，當幼蟲變態(tài)時，代后，再取出移植到幼蟲體內(nèi)，當幼蟲變態(tài)時，被移植的成蟲盤細胞仍發(fā)育成相應結(jié)構(gòu)被移植的成蟲盤細胞仍發(fā)育成相應結(jié)構(gòu)2. 細胞決定的穩(wěn)定性和遺傳性細胞決定的穩(wěn)定性和遺傳性是指一個細胞接受了某種指令，在發(fā)育中這一細胞及是指一個細胞接受了某種指令，在發(fā)育中這一細胞及其子代細胞將區(qū)別于其它細胞而分化成

14、某種特定的細胞類型，其子代細胞將區(qū)別于其它細胞而分化成某種特定的細胞類型，或者說在形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能等分化特征尚未顯現(xiàn)之前就已確或者說在形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能等分化特征尚未顯現(xiàn)之前就已確定了細胞的分化命運。定了細胞的分化命運。動物卵細胞中貯存有大量動物卵細胞中貯存有大量mrnamrna，呈非，呈非均勻分布；均勻分布；細胞分裂時胞質(zhì)不均等分配，子細胞細胞分裂時胞質(zhì)不均等分配，子細胞所得胞質(zhì)成分不完全相同。所得胞質(zhì)成分不完全相同。 細胞所處的位置不同對細胞分化的命運也有明顯的影響。細胞所處的位置不同對細胞分化的命運也有明顯的影響。實驗證明，改變細胞所處的位置可導致細胞分化方向的改變，實驗證明，改變細胞所處

15、的位置可導致細胞分化方向的改變，這種現(xiàn)象稱位置效應。這種現(xiàn)象稱位置效應?！拔恢眯畔⑽恢眯畔ⅰ笔钱a(chǎn)生效應主要原因。是產(chǎn)生效應主要原因。 所謂位置信息，即各細胞群或組織，接受所處的空間位置所謂位置信息，即各細胞群或組織，接受所處的空間位置的發(fā)育指令。的發(fā)育指令。 其中典型的例子是許多爬行動物，如蜥蜴類的其中典型的例子是許多爬行動物，如蜥蜴類的a.agama，e.macularius，它們在較低溫度條件下（，它們在較低溫度條件下（24度）全部發(fā)育為雌度）全部發(fā)育為雌性，而溫度提高（性，而溫度提高（32度）則全部發(fā)育為雄性。龜類的度）則全部發(fā)育為雄性。龜類的t.graetta，c.caretta又出現(xiàn)

16、相反的情況，即在較低溫度條件下全部發(fā)育為又出現(xiàn)相反的情況，即在較低溫度條件下全部發(fā)育為雄性，而溫度提高則全部發(fā)育為雌性。雄性，而溫度提高則全部發(fā)育為雌性。 另外，有一種蝸牛類的軟體動物另外，有一種蝸牛類的軟體動物crepidula，它們的性別，它們的性別決定取決于個體間的相互位置關(guān)系，在它們形成的上下相互疊決定取決于個體間的相互位置關(guān)系，在它們形成的上下相互疊壓的群體中，位于下方的個體發(fā)育為雌性，而位于上方的個體壓的群體中，位于下方的個體發(fā)育為雌性，而位于上方的個體發(fā)育為雄性。人們對于環(huán)境影響性別的機制還不清楚發(fā)育為雄性。人們對于環(huán)境影響性別的機制還不清楚.癌細胞（癌細胞（cancer cel

17、l）腫瘤（腫瘤（tumor）在致瘤因素作用下，細胞在基因水平上失去對）在致瘤因素作用下，細胞在基因水平上失去對其生長的正常調(diào)控，導致異常增生。其生長的正常調(diào)控，導致異常增生。良性腫瘤：生長緩慢，與周圍組織邊界明顯。良性腫瘤：生長緩慢，與周圍組織邊界明顯。惡性腫瘤：癌癥惡性腫瘤：癌癥( (cancer) )，生長快、具有遷移性。，生長快、具有遷移性。腫瘤組織由實質(zhì)和間質(zhì)兩部分構(gòu)成，實質(zhì)是腫瘤細胞，間質(zhì)腫瘤組織由實質(zhì)和間質(zhì)兩部分構(gòu)成，實質(zhì)是腫瘤細胞，間質(zhì)由結(jié)締組織和血管組成。由結(jié)締組織和血管組成。第一節(jié) 癌細胞的主要特征hela cancer cells1.1.細胞生長與分裂失去控制，具有無限增殖

18、能力。細胞生長與分裂失去控制，具有無限增殖能力。2.2.具有浸潤性和擴散性，癌細胞失去與細胞間和細胞外基質(zhì)間具有浸潤性和擴散性，癌細胞失去與細胞間和細胞外基質(zhì)間的連接，易于從腫瘤上脫落。許多癌細胞具有變形運動能力，的連接，易于從腫瘤上脫落。許多癌細胞具有變形運動能力，并且能產(chǎn)生酶類，使血管基底層和結(jié)締組織穿孔，使它向其它并且能產(chǎn)生酶類，使血管基底層和結(jié)締組織穿孔，使它向其它組織遷移。組織遷移。3.細胞間相互作用改變細胞間相互作用改變-接觸抑制喪失和錨定依賴性喪失5.染色體非整倍性染色體非整倍性4. mrna的表達譜及蛋白活性改變的表達譜及蛋白活性改變 在分化程度上癌細胞低于良性腫瘤細胞，且失去

19、了許多原組織細在分化程度上癌細胞低于良性腫瘤細胞，且失去了許多原組織細胞的結(jié)構(gòu)和功能。常表達一些胚胎細胞表達的蛋白。胞的結(jié)構(gòu)和功能。常表達一些胚胎細胞表達的蛋白。pancreas cancer癌癥產(chǎn)生是基因突變積累和自然選擇的結(jié)果癌癥產(chǎn)生是基因突變積累和自然選擇的結(jié)果癌癥主要是體細胞突變產(chǎn)生的遺傳病，涉及到兩大類與細癌癥主要是體細胞突變產(chǎn)生的遺傳病，涉及到兩大類與細胞增殖相關(guān)的基因的突變。胞增殖相關(guān)的基因的突變。1. 原癌基因（原癌基因（proto-oncogene）： 是細胞的正常基因，它們編碼的蛋白質(zhì)是細胞的正常基因，它們編碼的蛋白質(zhì)是維持是維持正正常細胞常細胞生命活動所必須的，生命活動所

20、必須的，通常參與細胞的生長與增通常參與細胞的生長與增殖的調(diào)節(jié)。原癌基因突變后成為促癌的殖的調(diào)節(jié)。原癌基因突變后成為促癌的癌基因癌基因，導致，導致細胞癌變細胞癌變，也稱為，也稱為細胞癌基因細胞癌基因(cellular oncogene，c-onc)。第二節(jié)第二節(jié) 癌基因與抑癌基因癌基因與抑癌基因1.生長因子生長因子2.生長因子受體生長因子受體3.信號轉(zhuǎn)導組分信號轉(zhuǎn)導組分4.細胞凋亡調(diào)節(jié)蛋白細胞凋亡調(diào)節(jié)蛋白5.轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子 有些癌基因編碼活性過度的受體或活性過強的細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)有些癌基因編碼活性過度的受體或活性過強的細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導蛋白，它們可在沒有外源信號的情況下促使細胞過度增殖而癌導蛋白，它們

21、可在沒有外源信號的情況下促使細胞過度增殖而癌變變.: gain-of-function mutationsbcl-2 oncogene: prevent apoptosisras oncogene: retain bind gtp2.抑癌基因抑癌基因 是一類抑制細胞過度生長、增殖從而遏制腫瘤形成的是一類抑制細胞過度生長、增殖從而遏制腫瘤形成的基因，也稱為抗癌基因?；颍卜Q為抗癌基因。抑癌基因抑癌基因的丟失或失活可能導致的丟失或失活可能導致腫瘤發(fā)生。腫瘤發(fā)生。 抑癌基因的產(chǎn)物抑癌基因的產(chǎn)物：轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，如轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，如rbrb、p53p53，負調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子，如負調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子，如wtwt，周

22、期蛋白依賴性激酶抑制因子（周期蛋白依賴性激酶抑制因子（ckicki），如），如p15p15、p21p21信號通路的抑制因子，如信號通路的抑制因子，如ras gtpras gtp酶活化蛋白酶活化蛋白gapgap dna dna修復因子，如修復因子，如brca1brca1、brca2brca2rb基因即成視網(wǎng)膜細胞瘤基因，為視網(wǎng)膜母細胞瘤易感基因，基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物約4.7kb，產(chǎn)物為928個氨基酸組成的蛋白質(zhì)分布于核內(nèi)，是一類dna結(jié)合蛋白。rb蛋白的磷酸化去磷酸化是其調(diào)節(jié)細胞生長分化的主要形式，在細胞周期的g。、g1期，它表現(xiàn)為去磷酸化，在g。、s、m期則處于磷酸化狀態(tài)。rb基因基因 (retinoblastoma gene)抑癌基因的突變是隱性的。rb bind with e2f tra