第十四部分細(xì)胞分化教學(xué)課程

1、第十四部分細(xì)胞分化教學(xué)課程不同生物具有不同的發(fā)育模式，但都涉及：細(xì)胞增殖細(xì)胞分化細(xì)胞間的相互作用。細(xì)胞分化（differentiation）是指細(xì)胞后代在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生差異的過程。第一節(jié) 細(xì)胞分化的特點(diǎn)一、細(xì)胞的分化潛能細(xì)胞分化能力的強(qiáng)弱稱為分化潛能。動(dòng)物受精卵的分化潛能稱為全能性。干細(xì)胞：有分化潛能的動(dòng)物細(xì)胞。分為：全能干細(xì)胞、多能干細(xì)胞、單能干細(xì)胞。單能干細(xì)胞只能分化為一種類型的細(xì)胞，也稱為祖細(xì)胞，自我更新能力有限。Fertilized ovum has totipotencyWell differentiated plant cells keep their totipotenc

2、yStrachan T, Read A 2003干細(xì)胞的特征：終生保持未分化或低分化特征；在機(jī)體的中的數(shù)目、位置相對(duì)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(duì)稱分裂。根據(jù)個(gè)體發(fā)育過程中出現(xiàn)的次序，干細(xì)胞又可分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞（ESC）是從胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)或原始生殖細(xì)胞篩選分離出的具有多能性或全能性的細(xì)胞。ESC的用途主要有：動(dòng)物克?。粍?dòng)物轉(zhuǎn)基因；組織工程。二、細(xì)胞分化的特點(diǎn)1. 時(shí)空性細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)是在細(xì)胞質(zhì)（信號(hào)系統(tǒng)）和細(xì)胞核（基因組）共同作用下，選擇性地表達(dá)特定的基因，稱為差別基因表達(dá)。已分化細(xì)胞的胞質(zhì)RNA與

3、核DNA雜交率低于10。細(xì)胞表達(dá)的基因分為：管家基因、組織特異性基因或奢侈基因。高度分化的動(dòng)物細(xì)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(xì)胞核移植。童第周等20世紀(jì)60年代，魚類核移植。Ian Wilmut（1997）克隆Do11y sheeep。2.定向性隨著細(xì)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(dòng)模式改變。例：哺乳動(dòng)物桑椹胚的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)和外圍細(xì)胞，前者形成胚胎、后者形成滋養(yǎng)層。無脊椎動(dòng)物早期的卵裂球已經(jīng)決

4、定，每個(gè)卵裂球只能形成身體的一部分。3. 穩(wěn)定性動(dòng)物細(xì)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(xì)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(yùn)分化。4. 條件可逆性在特定條件下，分化細(xì)胞的基因活動(dòng)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。5. 普遍性個(gè)體一生中都進(jìn)行著細(xì)胞分化。干細(xì)胞是細(xì)胞更新和組織修復(fù)的基礎(chǔ)。一種組織的成體干細(xì)胞傾向于分化成該組織的各種細(xì)胞，但特定條件下，可分化成其它組織

5、的功能細(xì)胞，稱為轉(zhuǎn)分化或橫向分化。高度分化的細(xì)胞不再分裂，對(duì)電離輻射敏感性低，而各種干細(xì)胞則不然。三、細(xì)胞分化和增殖的關(guān)系增殖信號(hào)和分化信號(hào)同時(shí)作用于干細(xì)胞，表現(xiàn)為邊分化邊增殖（反之亦然）；增殖和分化分別獨(dú)立進(jìn)行，一些干細(xì)胞只增殖不分化，另一些同類干細(xì)胞進(jìn)入終末分化；細(xì)胞分化與分裂平行進(jìn)行，干細(xì)胞進(jìn)行不對(duì)稱分裂，產(chǎn)生的子細(xì)胞一個(gè)保持原有干細(xì)胞特性，一個(gè)則進(jìn)入終末分化。第二節(jié) 細(xì)胞分化的主要機(jī)制autonomous mechanism：胚胎發(fā)育的早期細(xì)胞分裂由受精卵中的細(xì)胞質(zhì)控制，不涉及細(xì)胞通信。inductive mechanism：隨著胚胎發(fā)育的進(jìn)行細(xì)胞之間主要通過信號(hào)系統(tǒng)協(xié)調(diào)分裂、分化和細(xì)

6、胞的行為，稱為。細(xì)胞的分化命運(yùn)主要取決于：細(xì)胞的內(nèi)部特性，外部環(huán)境。卵細(xì)胞具有極性，細(xì)胞核靠近北極。卵細(xì)胞中貯存有大量mRNA，是母源基因的產(chǎn)物，維持卵細(xì)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）。合子基因在卵裂后期才發(fā)揮作用。一、細(xì)胞分裂的不對(duì)稱性用放線菌素D處理海膽受精卵，胚胎發(fā)育能進(jìn)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(xì)胞中轉(zhuǎn)錄后，輸入卵細(xì)胞，沿微管轉(zhuǎn)運(yùn)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(xì)胞質(zhì)特性決定了子細(xì)胞的分化命運(yùn)。二、誘導(dǎo)機(jī)制誘導(dǎo)（induction）是一部分

7、細(xì)胞誘導(dǎo)其它細(xì)胞向特定方向分化的現(xiàn)象，也叫胚胎誘導(dǎo)。對(duì)其它細(xì)胞起誘導(dǎo)作用的細(xì)胞稱誘導(dǎo)者(inductor)，如脊索可誘導(dǎo)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(yīng)誘導(dǎo)信號(hào)的同類細(xì)胞叫做形態(tài)發(fā)生場(chǎng)。三、分化抑制分化成熟的細(xì)胞可以產(chǎn)生“抑素”，抑制相鄰細(xì)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?！耙炙亍?是TGF-家族的成員。如 myostatin是肌肉生長(zhǎng)的負(fù)調(diào)控因子， GDF11（Wu等2003）通過上調(diào)細(xì)胞周期抑制因子p27抑制神經(jīng)組織生長(zhǎng)。Mouse myostatin mutant (right)Double-muscled mouseFunc

8、tion of the myostainThe so called chalone is the protein belonging to TGF- family, such as myostainBelgian Blue bullDouble-muscled cattle四、細(xì)胞數(shù)量效應(yīng)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(xì)胞注射到小鼠肝臟門靜脈，小鼠很快死于腫瘤。只注射50個(gè)腫瘤細(xì)胞時(shí)，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。

9、五、細(xì)胞外基質(zhì)的影響ECM能與細(xì)胞表面的整合素相互作用，激活粘著斑激酶（FAK），F(xiàn)AK可以通過接頭蛋白Grb2啟動(dòng)Ras信號(hào)途徑，引起細(xì)胞增殖。干細(xì)胞在IV型膠原和層粘連蛋白上形成上皮細(xì)胞；在I型膠原和纖粘連蛋白上分化為成纖維細(xì)胞；在II型膠原及軟骨粘連蛋白上發(fā)育為軟骨細(xì)胞。六、激素的作用例1. 哺乳動(dòng)物雄性激素促進(jìn)烏爾夫氏管，抑制繆勒氏管的發(fā)育，摘除胚胎睪丸，則促進(jìn)謬?yán)帐瞎艿陌l(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(shí)，幼蟲脫皮而長(zhǎng)大；當(dāng)保幼激素含量減少時(shí)，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(jìn)性腺發(fā)育。七、細(xì)胞核與細(xì)胞分化（一）染色體結(jié)構(gòu)

10、的變化1. 基因刪除：原生動(dòng)物、節(jié)肢動(dòng)物。2 . 基因擴(kuò)增：多線染色體、爪蟾卵母細(xì)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。5. 基因印跡Genomic imprinting，特點(diǎn)：性別特異，同一等位基因僅表達(dá)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(xì)胞；遺傳給下一代時(shí)消除上一代遺傳的印跡，建立新的與性別有關(guān)的印跡。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(dá)異常。父源表達(dá)和母源表達(dá)的印跡基因?qū)ε咛グl(fā)育的影響

11、不同。例.葡萄胎（hydatidiform mole）父本印跡；卵巢畸胎瘤（ovarian teratoma） 母本印跡。（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(dá)。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）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：間隙基因、對(duì)控基因、體節(jié)極性基因。間隙基因，產(chǎn)物將胚分為相當(dāng)于3個(gè)體節(jié)的區(qū)域。對(duì)控基因，將間隙基因分

12、成的區(qū)域劃分為體節(jié)。體節(jié)極性基因，在每個(gè)體節(jié)的前、后部細(xì)胞中表達(dá)，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。HOX的產(chǎn)物含含螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)，基因突變會(huì)引起同源形態(tài)結(jié)構(gòu)變異。特點(diǎn)：1）基因呈簇存在，形成連鎖群；2）DNA序列相似；3）進(jìn)化上高度保守；4）基因表達(dá)程序化：5端的基因表達(dá)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。HOX mutantAntenna legBithorax mutant八、同工結(jié)構(gòu)的變化同工置換：在某一特定時(shí)期，一種細(xì)胞或分子被另一種相似、而能更好適應(yīng)環(huán)境的同工型取代。例，哺乳動(dòng)物個(gè)體發(fā)育中：有核紅細(xì)胞無核紅細(xì)胞透明軟骨長(zhǎng)骨恒齒乳齒血紅蛋白從胚胎型、胎兒型到成年型過渡。九、成體中的