大連工業(yè)大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)第十一章-細(xì)胞分化與基因表達(dá)調(diào)控

1、第十一章 細(xì)胞分化與基因表達(dá)調(diào)控,精子,卵,受精卵,分化,新個(gè)體,發(fā) 育,Cell differentiation,卵裂和胚泡形成,受精卵,卵 裂,桑椹胚,胚 泡,胚 泡 腔,滋 養(yǎng) 層,內(nèi)細(xì)胞群,胚端滋養(yǎng)層,胚泡于受精后第4-5天形成，并進(jìn)入子宮。,胚泡形成,胚泡,三胚層胚盤及相關(guān)結(jié)構(gòu)的形成（第三周）,部分上胚層細(xì)胞增殖-原條 頭部原結(jié) 中心淺凹-原凹,原條,上胚層形成：外胚層 中胚層 內(nèi)胚層,分化的主要標(biāo)志：細(xì)胞內(nèi)開始合成新的特異性 蛋白質(zhì) 細(xì)胞分化的關(guān)鍵：由于細(xì)胞選擇性表達(dá)合成特異性 蛋白質(zhì)，導(dǎo)致形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能各異的細(xì)胞,細(xì)胞分化(celldifferentiation) ：指受精卵開

2、始的個(gè)體發(fā)育過程中細(xì)胞之間逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定性差異的過程。,第一節(jié)細(xì)胞分化和細(xì)胞決定,細(xì)胞分裂 細(xì)胞分裂 受精卵-胎兒-成人 細(xì)胞分化 細(xì)胞分化,細(xì)胞分裂使細(xì)胞數(shù)目增加,細(xì)胞分化使細(xì)胞功能分工,受精卵,胎兒,成人,細(xì)胞分裂、生長,細(xì)胞分化,增殖,增殖,如果只有細(xì)胞增殖，沒有細(xì)胞分化， 就只能形成一細(xì)胞團(tuán)，而不能形成人體。,通常，細(xì)胞分化是指細(xì)胞表型變化：,神經(jīng)細(xì)胞 具有傳導(dǎo)神經(jīng)信息的功能 （伸出長的突起）,肌細(xì)胞 具有收縮功能 （呈梭形或柱形）,紅細(xì)胞 具有攜帶氧和二氧化碳的功能 （呈圓盤狀）,表皮細(xì)胞 具有保護(hù)功能 （呈扁平形）,分化,分化,分化,分化,細(xì)胞分化的表現(xiàn)是產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)胞，

3、其實(shí)質(zhì)是由于特異功能蛋白質(zhì)的合成。 如： 神經(jīng)細(xì)胞傳導(dǎo)神經(jīng)信息 神經(jīng)遞質(zhì)； 肌細(xì)胞 收縮作用 肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白； 成熟的紅細(xì)胞 運(yùn)輸氧和二氧化碳血紅蛋白； 表皮細(xì)胞保護(hù)作用角蛋白,一、細(xì)胞分化的特點(diǎn)： 穩(wěn)定性：即在正常生理?xiàng)l件下，細(xì)胞的分化狀態(tài)一旦確定，將終生不變，既不能逆轉(zhuǎn)也不能互變。,去分化：在一定條件下，高度分化的細(xì)胞可以重新分裂而回得到胚性細(xì)胞狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做去分化 (dedifferentiation) 例如： 射線、藥物、毒物. 正常分化的細(xì)胞 癌細(xì)胞,不正常條件,1958年有人用野生胡蘿卜游離的韌皮部細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)中，觀察到已經(jīng)高度分化的細(xì)胞可以重新分裂而回得到胚性細(xì)

4、胞狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做去分化或稱脫分化，然后通過再分化形成根莖，最終發(fā)育成完整的新 植株。,轉(zhuǎn)分化：在一定的條件下哺乳動(dòng)物的細(xì)胞也可以轉(zhuǎn)化成另一種分化細(xì)胞。 如：人皮膚基底層細(xì)胞角化細(xì)胞 粘膜上皮細(xì)胞或具有纖毛的上皮細(xì)胞。,培養(yǎng)基中缺乏維生素A,培養(yǎng)基中富含維生素A,、細(xì)胞分化具有時(shí)間性和空間性 單細(xì)胞生物：時(shí)間性 多細(xì)胞生物：時(shí)間性空間性 、生物體普遍存在分化 胚胎期是重要的細(xì)胞分化時(shí)期,細(xì)胞決定的物質(zhì)：卵細(xì)胞質(zhì),二、細(xì)胞決定,細(xì)胞決定（Determination）是指細(xì)胞在發(fā)生可識(shí)別的分化特征之前，就已確定了未來的發(fā)育命運(yùn)，并向著特定方向分化，稱為細(xì)胞決定。,證明：胚胎移植實(shí)驗(yàn),（一）遺傳穩(wěn)

5、定性 果蠅成蟲盤細(xì)胞的移植實(shí)驗(yàn) （二）決定制約著細(xì)胞分化的方向,三、具有全能性的細(xì)胞與細(xì)胞核,細(xì)胞全能性：單個(gè)細(xì)胞經(jīng)分裂和分化后仍具有發(fā)育成完整個(gè)體的能力 受精卵和桑椹胚期的細(xì)胞前的細(xì)胞 在胚胎發(fā)育過程中，由全能多能單能的發(fā)育趨向，是細(xì)胞分化的一個(gè)普遍規(guī)律,多能細(xì)胞,全能細(xì)胞,單能細(xì)胞,plant cell -totipotency,始終保持其分化全能性的細(xì)胞核 爪蟾卵核移植實(shí)驗(yàn)(經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)),爪蟾受精卵,去細(xì)胞核,植入表皮細(xì)胞的核,正常幼體,始終保持其分化全能性的細(xì)胞核,克隆羊“多莉”實(shí)驗(yàn),即:高度分化的細(xì)胞如乳腺細(xì)胞的核仍有全能性,圖示,四、細(xì)胞分化在細(xì)胞增殖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,細(xì)胞分化發(fā)生于

6、細(xì)胞增殖的期 細(xì)胞的分裂能力往往隨著細(xì)胞分化程度的提高而有所下降,第二節(jié)、細(xì)胞分化的分子基礎(chǔ),奢侈基因（luxury gene）編碼決定細(xì)胞性狀的特異基因，對(duì)細(xì)胞自身生存無直接影響，是細(xì)胞向特殊類型分化的物質(zhì)基礎(chǔ)。如血紅蛋白、肌動(dòng)蛋白、分泌蛋白等。,管家基因(house Keeping gene) 維持細(xì)胞生命活動(dòng)所必需的、各類細(xì)胞共有的，對(duì)細(xì)胞分化只起協(xié)助作用的基因。如膜蛋白、核糖體蛋白、線粒體蛋白等。,一、細(xì)胞分化是基因選擇性的表達(dá),基因差異表達(dá)：細(xì)胞分化并不是基因組DNA全部表 達(dá)，而是奢侈基因按一定程序，有 選擇地相繼活化表達(dá) 不同細(xì)胞：相同DNA 不同RNA 不同PRO,分子雜交實(shí)驗(yàn)

7、證明：細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果,分子雜交：DNA-DNA或DNA-RNA單鏈之間的互補(bǔ)序列在一定條件下通過堿基互補(bǔ)配對(duì)原則形成雙鏈的現(xiàn)象。,DNA-DNA雜交實(shí)驗(yàn)： 不同物種的DNA序列不能雜交，證明DNA有物種特異性； 同一物種不同組織的DNA間能雜交，表明DNA無組織特異性。 DNA-RNA雜交實(shí)驗(yàn)： 同一物種不同組織的DNA-RNA間的雜交不同，證明RNA有組織特異性。 從分子水平看 基因選擇表達(dá) 特異mRNA轉(zhuǎn)錄 特異蛋白質(zhì)合成細(xì)胞分化,上述實(shí)驗(yàn)證實(shí)一個(gè)動(dòng)物體內(nèi)的不同類型細(xì)胞所含DNA相同，它們具有相同的基因。在發(fā)育的不同階段和不同類型的組織中發(fā)生差別基因表達(dá)，使RNA有所不同，

8、由于編碼特異蛋白的結(jié)構(gòu)基因在不同細(xì)胞中被選擇性地激活，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生了不同的mRNA，從不同的mRNA轉(zhuǎn)譯產(chǎn)生的蛋白質(zhì)就是專一的特異性蛋白質(zhì)。特異蛋白質(zhì)在細(xì)胞中出現(xiàn)就是細(xì)胞表型分化的標(biāo)志。,基因差異表達(dá)的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平,（一）順式調(diào)控元件 啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子等 （二）反式作用因子 （三）活性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異調(diào)控區(qū) （四）甲基化 （五）同源盒基因,果蠅唾液腺多線染色體膨松區(qū)的變化,膨松區(qū),第四節(jié) 細(xì)胞分化的影響因素,一、影響細(xì)胞分化的內(nèi)在因素 卵細(xì)胞質(zhì) 細(xì)胞核的作用 核質(zhì)相互作用,（一）卵細(xì)胞質(zhì)的作用,卵細(xì)胞質(zhì)的作用：細(xì)胞決定，即決定細(xì) 胞分化的方向。 作用時(shí)間：胚胎發(fā)育早期（卵裂期）,3

9、,1,5,4,2,1 神經(jīng)細(xì)胞質(zhì) 神經(jīng)細(xì)胞 2 脊索細(xì)胞質(zhì) 脊髓細(xì)胞 3 外胚層細(xì)胞質(zhì) 表皮 4 中胚層細(xì)胞質(zhì) 肌肉骨 5 內(nèi)胚層細(xì)胞質(zhì) 腺細(xì)胞及消化道上皮,蛙卵,蛙受精卵的細(xì)胞質(zhì)是不均質(zhì)的， 這種不均質(zhì)性, 對(duì)胚胎的早期 發(fā)育具有很大影響，在一定程 度上決定細(xì)胞的早期分化,以蛙為例：,例如，將蛙受精卵卵裂早期的分裂球分離培養(yǎng)， 只是含有灰新月物質(zhì)的分裂球才能正常發(fā)育。,圖示,（二）細(xì)胞核的作用,在細(xì)胞分化中，細(xì)胞核起著重要或決定性的作用。 第一、遺傳物質(zhì)決定性狀，而遺傳物質(zhì)位于細(xì)胞核內(nèi)。 第二、從全能細(xì)胞 多能細(xì)胞 單能細(xì)胞，是細(xì)胞核內(nèi)基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。,核質(zhì)相互作用,細(xì)胞核中的基因?qū)?xì)

10、胞質(zhì)的代謝起調(diào)節(jié)作用； 細(xì)胞質(zhì)對(duì)核內(nèi)基因的活性有控制作用； 因此，核質(zhì)的作用是相互的，緊密聯(lián)系著的，共同影響著細(xì)胞分化。,1、細(xì)胞相互作用誘導(dǎo)細(xì)胞 2、激素對(duì)細(xì)胞分化的作用 3、位置信息對(duì)細(xì)胞分化的作用 、外環(huán)境影響細(xì)胞決定,（二）影響細(xì)胞分化的外在因素,、細(xì)胞相互作用誘導(dǎo)細(xì)胞分化,胚胎誘導(dǎo)是胚胎形成中有序分化的重要因素。 能對(duì)其它細(xì)胞起誘導(dǎo)作用的細(xì)胞稱誘導(dǎo)者（inductor），接受誘導(dǎo)的組織或細(xì)胞稱為反應(yīng)者。,胚胎誘導(dǎo) （embryonic induction） 在胚胎發(fā)育過程中，一部分細(xì)胞對(duì) 鄰近的另一部分細(xì)胞產(chǎn)生影響， 并決定其分化方向的作用 稱為胚胎誘導(dǎo)。,（1）胚胎誘導(dǎo),胚胎誘導(dǎo)分

11、為三級(jí)：,初級(jí)誘導(dǎo)：如脊索中胚層誘導(dǎo)其表面的外胚層發(fā) 育神經(jīng)板； 次級(jí)誘導(dǎo)：如神經(jīng)板卷成神經(jīng)管后，前端膨大成 原腦，其兩側(cè)突出的視杯再誘導(dǎo)其上 方的外胚層形成晶狀體，為次級(jí)誘導(dǎo) 三級(jí)誘導(dǎo)：晶狀體再誘導(dǎo)其表面的外胚層形成角 膜，為三級(jí)誘導(dǎo)。,脊索中胚層,外胚層,神經(jīng)板,前腦-視杯,神經(jīng)管,外胚層,晶狀體,外胚層,角膜,圖示,、激素對(duì)細(xì)胞分化的作用,在胚胎發(fā)育晚期或胚后發(fā)育中。 遠(yuǎn)距離細(xì)胞之間也有相互作用。 如甲狀腺素可引起蝌蚪變態(tài)；性激素刺激第二性征的出現(xiàn)。 激素分多肽類：與膜受體結(jié)合 第二信使調(diào)節(jié)基因活動(dòng) 甾類：與胞內(nèi)受體結(jié)合 調(diào)節(jié)基因活動(dòng),、位置信息對(duì)細(xì)胞分化的作用,、環(huán)境因素影響細(xì)胞的分化

12、,蜥蜴的性別發(fā)育：,滋養(yǎng)外胚層,內(nèi)細(xì)胞團(tuán),嵌合體實(shí)驗(yàn),細(xì)胞異常分化可引起細(xì)胞癌變,細(xì)胞癌變是細(xì)胞去分化的結(jié)果 低分化和高增殖 腫瘤細(xì)胞的分化特征 癌細(xì)胞是由正常細(xì)胞轉(zhuǎn)化而來，表現(xiàn)為去分化或無序分化，分化程度與惡性程度成反比。 腫瘤細(xì)胞可被誘導(dǎo)向正常細(xì)胞分化,第二節(jié)干細(xì)胞,干細(xì)胞（stem cell)：通常把機(jī)體中具有自我復(fù)制能力并能在一定條件下分化形成一種以上類型細(xì)胞的多潛能細(xì)胞稱為干細(xì)胞。,干細(xì)胞分類,根據(jù)分化能力的大小，可將機(jī)體干細(xì)胞分為： 全能干細(xì)胞 多能干細(xì)胞 單能干細(xì)胞,根據(jù)機(jī)體發(fā)育時(shí)期的不同，將機(jī)體干細(xì)胞分為 胚胎干細(xì)胞 成體干細(xì)胞,胚胎干細(xì)胞 成體干細(xì)胞,干細(xì)胞的基本特性,通常呈

13、圓形且具有不同的生化特性 角蛋白15:表皮干細(xì)胞巢蛋白:NSC 增殖速度通常很慢 不同干細(xì)胞具有不同的分化潛能 干細(xì)胞的增殖與分化主要受其微環(huán)境的調(diào)控,一、胚胎干細(xì)胞的分化,胚胎干細(xì)胞：胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cell，簡稱ES細(xì)胞) 是指存在于早期胚胎中，具有多分化潛能的細(xì)胞。,受精卵及卵裂早期（桑甚胚期以前）的每一個(gè)細(xì)胞都有發(fā)育成一個(gè)完整機(jī)體的潛能，這些細(xì)胞稱為全能干細(xì)胞，它們具有發(fā)育的全能性。,如：將小鼠胚胎發(fā)育細(xì)胞期的一個(gè)細(xì)胞用針搗毀，另一個(gè)仍能發(fā)育為完全正常的小鼠。,正常小鼠,受精卵,2細(xì)胞期,將兩只細(xì)胞期的鼠胚合并，也能發(fā)育成一只正常的小鼠。表明哺乳類動(dòng)物早期胚胎細(xì)胞發(fā)育到細(xì)胞期仍是全能的。,圖示,（1）建立ES細(xì)胞系為哺乳動(dòng)物發(fā)育生物學(xué)研究提供材料或模型。如可利用ES細(xì)胞體外研究某些細(xì)胞因子等因素對(duì)細(xì)胞生長和分化的影響，減少內(nèi)源性因素干擾的復(fù)雜性；利用ES細(xì)胞的基因突變來研究細(xì)胞分化過程中某些基因的功能等。 （2）利用ES細(xì)胞的發(fā)育多能性及環(huán)境因素對(duì)細(xì)胞發(fā)育的影響，定向誘導(dǎo)細(xì)胞分化為特定的細(xì)胞，如肌細(xì)胞，神經(jīng)細(xì)胞等，為細(xì)胞移植提供新細(xì)胞來源。,胚胎干細(xì)胞的應(yīng)用,二、成體干細(xì)胞的分化,成體的許多組織中都保留一些具有增殖和分化能力的細(xì)胞，這類細(xì)胞稱為成體干細(xì)胞。 成體干細(xì)胞的分化特點(diǎn)： 其一是不對(duì)稱分裂，即一個(gè)干細(xì)