复旦医学细胞生物学课件14细胞分化

细胞分化人们早就知道构成人体的所有细胞均来自于受精卵，但历史上对受精卵如何发育成个体，却争论了许久。早期的先成论（或者称预成论）者主张在受精卵中其实已经预先有了一个微型的胎儿，随后的发育过程仅仅是一个简单的生长过程。甚至认为，在微型胎儿的更加微型的精子和卵子中应该还含有它们自己的微型胎儿，以此类推直到无穷。受精卵产生的同源后代细胞，在形态、结构、功能、蛋白合成等方面逐渐发生稳定性差异的过程称为细胞分化(differentiation)。关键在于特异性蛋白的合成。决定（determination）：通常细胞在发生可识别的形态变化之前，细胞内部已经发生了变化，确定了未来的发育命运。即一群细胞或胚胎的某一区域只能向某一特定方向分化的状态。决定之后，分化的方向一般不再改变。在动物组织中，一个细胞一旦转化为一个稳定的类型后，就不能逆转到未分化状态。时空变化：不同的发育阶段，所处的不同环境，都可以分化出不同的形态和功能的细胞。细胞的分化潜能细胞的全能性（celltotipotency）是指单个细胞在一定条件下增殖、分化、发育成为完整个体的能力，具有这种能力的细胞称为全能性细胞（totipotentcell）。利用生物的全能性，可进行无性繁殖。理论上，每个配备了完整基因组的细胞，包括体细胞和生殖细胞，都应该是全能性的。但实际上体细胞表达基因的能力比性细胞要低得多。卵细胞具有较大的潜在全能性，在某些条件下可进行孤雌生殖，即一个卵细胞可分化成所有各种类型的细胞。受精卵能表现出最高的全能性，除无性繁殖外，个体中的每一个形态和功能各异的细胞都是合子产生后代的分化产物。受精后胚胎会出现卵裂，随着分裂和分化的不断进行，细胞数目愈来愈多，细胞之间的分化差异也越来越大。形成三胚层后，各胚层在分化潜能上开始出现一定的局限性，倾向于只发育为本胚层的组织器官。三个胚层的分化潜能虽然被局限，但仍具有发育成多种表型的能力，这时的细胞可称为多能细胞（pluripotentcell）。经过器官发生，各种组织、细胞的发育命运最终决定，在形态上特化，功能上专一化。胚胎发育过程中逐渐由全能局限为多能，最后成为稳定型单能（unipotency）的趋向，是细胞分化的普遍规律。因此，细胞分化可以视为分化潜能逐渐限制“缩窄”的过程。1952年，美国学者R.Briggs和T.King在解剖镜下用玻璃微针将青蛙囊胚细胞核挑出后，移入另一青蛙的去核卵细胞中，渐渐发育为蝌蚪乃至成蛙。六十年代Gurdon用爪蟾肠上皮细胞核植入核破坏的卵细胞中获得成功。1978年，童第周将蛙成体红细胞核植入未受精去核卵中，也发育出正常蝌蚪。1981年Hoppe等用显微注射法将囊胚的内细胞团的细胞核植入去核受精卵，待其发育成囊胚后再植入同步孕鼠子宫，生出正常个体。1997年，Wilmut进行“Dolly”羊克隆取得成功。2003.2，Dolly被安乐死，它的标本陈列于爱丁堡国家博物馆。这些研究表明，即使是高等动物已分化的细胞，其细胞核仍然保持着全套的基因组，并在一定特殊条件下可表现出全能性。而在细胞分化过程中细胞质具有重要作用。细胞分化的调控细胞分化是基因选择性转录的结果。细胞分化的调控可以在不同的水平上进行：转录水平、翻译水平以及蛋白质形成后活性调节水平等。其中，转录水平的调控是最重要的。转录水平的调控细胞的基因并非都是同细胞分化有直接关系。根据基因和细胞分化的关系，可以把基因分为两类：一类称为管家基因（housekeepinggene），另一类称为奢侈基因（luxurygene）管家基因是维持细胞最低限度的功能所不可缺少的基因，对细胞分化一般只有协助作用。管家基因在各类细胞的任何时间内都可以得到表达，其产物管家蛋白（housekeepingprotein）是维持细胞生命活动所必需的。奢侈基因是指与各种分化细胞的特殊性状有直接关系的基因，丧失这类基因对细胞的生存并无直接影响。奢侈基因只在特定的分化细胞中表达并受时期的限制，其编码产物称奢侈蛋白（luxuryprotein）。基因的顺序表达：基因的活性不仅由于细胞类型的不同有很大变化，即使在同一类型的细胞中，由于发育阶段不同，基因活性也不一样。从一个受精卵开始，在胚胎发育过程中，细胞基因严格按时空顺序相继活化。在个体发育的过程中逐步分化产生各种细胞类型和组织。分化是不同特异性基因相继表达的结果。正常人体血红蛋白发育变化发育阶段血红蛋白分子组成胎儿（8周至出生）Fα2γ2成人A（95%）α2β2、εγGγAψβδβ5’——————————3’11p15215’————————3’16p13β珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇血红蛋白在人体发育过程中的变化不同珠蛋白基因在染色体上的排列位置，对保持发育阶段的顺序性表达至关重要。位于人ε珠蛋白基因5’上游有一段特殊的DNA序列，称为座位控制区域（LCR），与LCR相对距离的大小，可能影响各珠蛋白基因同LCR相互作用的频率，距离近的珠蛋白基因优先表达，距离远的则在较晚阶段被激活。剪接：在复杂的转录物加工中，经不同剪接产生不同的成熟mRNA，可以表达不同的产物。有时某一基因的内含子在一种类型的细胞中是要被切除的内含子而在另外一种类型的细胞中却是外显子。原肌球蛋白mRNA的不同剪接非组蛋白调节基因的选择性转录DNA甲基化后转录活性降低同源框基因翻译水平的调控翻译调控通常是通过调节细胞的整体翻译水平来实现的。例如热休克（heatshock）反应。热休克不但影响转录的起始，也使大部分翻译停止，与此同时热休克蛋白mRNA加紧翻译；一段时间后，蛋白质合成恢复正常。果蝇早期发育的基因调控果蝇仅有4对染色体，整个生命周期很短，只有9~10天，从受精卵发育为幼虫约4天左右，且易于饲养和繁殖，因此可以用来进行无法在高等动物身上完成的实验。影响细胞分化的因素细胞内因素：分化细胞之所以能合成特异的蛋白质，就是由于细胞核内的基因组有选择地表达，这是细胞分化的基础。受精卵或动物早期胚胎细胞在分化过程中，因不同基因表达，产物不断加入细胞质，改变细胞质成分，使基因表达环境发生改变，细胞质反作用于细胞核，又使核内基因表达状态不断受到调节，细胞不断分化，发育，成熟，直至产生各种不同类型的细胞影响细胞分化的细胞外因素，包括环境因素及细胞之间的相互作用。温度，光线等环境因素，可能影响卵裂。多细胞生物的细胞分化是在细胞间的彼此影响下进行的。因此，细胞间的相互作用对细胞分化有较大的影响。诱导胚胎细胞的诱导(induction)是指一部分细胞对邻近细胞的形态发生影响，并决定其分化方向的作用。诱导可以在原本等同的细胞中建立起有序的差异。脊索可诱导其顶部外胚层发育成神经板，神经沟和神经管；视泡可诱导其外面的外胚层形成晶状体，而晶状体又可诱导其外侧胚层形成角膜。抑制细胞的抑制(inhibition)是在胚胎发育中，分化成熟的细胞可以产生抑素，抑制相邻细胞发生同样的分化。识别细胞之间有相互辨别的能力，即相互识别、黏着。激素对相隔距离较远的靶细胞分化的控制，而且要对位于远处的靶细胞所出现的变化作出反应，以控制个体发育进程。细胞分化与医学肿瘤已被作为一种细胞周期异常性疾病，基本特征是细胞失控性生长，细胞的死亡（凋亡）减少或增殖增加，以及细胞去分化等，其形态、功能、代谢和增殖都发生了深刻的可遗传的变化。肿瘤细胞来源于正常细胞，某些分化特点可以与其来源细胞相同，但更多见的是肿瘤细胞缺少这种分化特点，甚至完全缺如，表现为去分化（dedifferentiation）。癌细胞能否逆转为正常细胞，是受到人们普遍关注的问题。现已发现临床上有的肿瘤可被药物诱导分化。维甲酸、全反式维甲酸和小剂量砒霜用于临床治疗急性早幼粒细胞性白血病，能诱导分化受阻的幼稚粒细胞分化成熟，白血病完全缓解，避免了化疗和放疗杀伤正常分裂细胞的不良反应。Theend