第十三章胚胎发育与细胞分化

第十二章细胞分化与基因表达调控(Celldifferentiationandgeneexpressioncontrol)教学目的1、掌握细胞分化的本质及影响因素2、了解基因表达调控的种类及机理教学内容本章的主要内容包括以下四个方面：1．配子发生与受精作用2．胚胎形成与分化3．细胞分化的分子基础4．干细胞计划学时及安排本章计划4学时。教学重点和难点发育生物学是现代生物学的发展方向。本章主要介绍与发育有关的细胞生物学基础知识，包括受精、胚胎形成、分化。干细胞是发育生物学研究中最为热门，并在细胞工程和组织工程的研究中具有重要作用。1．动物和植物的雌配子通常称为卵，而将雄配子称为精子。配子形成的过程称为配子发生。精子与卵子的融合，即为受精作用。受精发生之后，受精卵要进行一系列的分裂、分化和相互作用，最后发育成一个新的个体。本节的学习重点是配子发生的过程和机理、受精作用涉及的反应过程。2．细胞分化是在胚胎发育过程中，未定形的细胞在形态和生化组成上向专一性或特异性方向发展，或由原来较简单具有可塑性的状态向异样化稳定状态发展的过程。本节的重点是建立细胞分化是从化学分化到形态、功能分化这样一种基本观念，以及细胞分化过程中的核质关系。3．分化细胞间的主要差别是合成的蛋白质的种类不同，即表达的基因不同，细胞分化的分子基础在于基因表达的控制。如果蝇的发育就是在母体基因、合子基因等的调节控制下进行的。本节的难点是如何正确理解果蝇发育过程中母体效应基因、合子基因在发育中的作用。4．干细胞是一类具有自我复制能力的多潜能细胞，在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞。胚胎干细胞的分化和增殖构成动物发育的基础，成体干细胞的进一步分化则是成年动物体内组织和器官修复再生的基础。干细胞在细胞工程和组织工程中有许多重要的应用。本内容主要是对干细胞作一基本介绍。本章的重点是胚胎形成与细胞分化，为加深对本章知识的理解，可结合遗传学、胚胎学的相关知识的学习。教学方法讲授法教学过程◆细胞分化(celldifferentiation)：在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生各不相同的细胞类群的过程。◆细胞分化是多细胞生物发育的基础与核心；细胞分化的关键在于特异性蛋白质合成；成特异性蛋白质实质在于组织特异性基因在时间和空间上的差异性表达；差异性表达的机制是由于基因表达的组合调控。◆细胞癌变是正常细胞分化机制失控的表现第一节细胞分化(Celldifferentiation)一、细胞分化的基本概念(Basicconceptthatthecelldevison)概念：细胞分化(celldifferentiation)：在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生各不相同的细胞类群的过程。⒈细胞分化是基因选择性表达的结果⒉组织特异性基因与当家基因⑴看家基因(house-keepinggenes)：是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的；⑵组织特异性基因(tissue-specificgenes)，或称奢侈基因(luxurygenes)：是指不同的细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的功能；⑶调节基因产物用于调节组织特异性基因的表达，起激活或者起阻遏作用；⒊组合调控引发组织特异性基因的表达⑴组合调控（combinationalcontrol）概念：有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化的调控机制。即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同调节完成的。⑵生物学作用：于组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与其它调控蛋白形成适当的调控蛋白组合，不仅可以将一种类型的细胞转化成另一种类型的细胞，而且遵循类似的机制，甚至可以诱发整个器官的形成（如眼的发育）。⑶分化启动机制：靠一种关键性调节蛋白通过对其他调节蛋白的级联启动⒋单细胞有机体的细胞分化与多细胞有机体细胞分化的不同之处：前者多为适应不同的生活环境，而后者则通过细胞分化构建执行不同功能的组织与器官。多细胞有机体在其分化程序与调节机制方面显得更为复杂。⒌转分化与再生⑴一种类型分化的细胞转变成另一种类型的分化细胞现象称转分化（transdifferentiation）。⑵转分化经历去分化（dedifferentiation）和再分化的过程。⑶生物界普遍存在再生现象（regeneration），再生是指生物体缺失部分后重建过程，广义的再生可包括分子水平、细胞水平、组织与器官水平及整体水平的再生。⑷不同的细胞有机体，其再生能力有明显的差异。Transdifferentiation：一种类型的分化细胞转化为另一种分化类型的细胞的现象。Dedifferentiation：分化细胞失去所特有的结构和功能变成具有未分化细胞特征的过程。Regeneration：是指生物体缺失部分后重建过程，广义的再生可包括分子水平、细胞水平、组织与器官水平及整体水平的再生。二、影响细胞分化的因素(Elementthateffectcelldevison)⒈细胞的全能性(totipotency)⑴概念：细胞全能性是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。⑵植物细胞具有全能性，在适宜的条件下可培育成正常的植株⑶动物细胞核移植(Nucleartransfer)实验证明细胞核具有发育全能性如蛙红细胞核移植后发育成蝌蚪Dolly羊的诞生说明高度分化的哺乳动物体细胞核也具有发育全能性⑶干细胞(Stemcell)与细胞发育潜能干细胞的分类：①根据干细胞所处的发育阶段分：胚胎干细胞(embryonicstemcell，ES)成体干细胞(somaticstemcell)。②根据干细胞的发育潜能分：全能干细胞(totipotentstemcell,TSC)、多能干细胞（pluripotentstemcell）单能干细胞（unipotentstemcell）。胚胎干细胞(embryostemcell)：具有分化成多种细胞类型及构建组织的潜⒉影响细胞分化的因素⑴胞外信号分子对细胞分化的影响,如眼的发生⑵细胞记忆与决定细胞决定(celldetermination)是指细胞在发生可识别的形态变化之前,就已受到约束而向特定方向分化,这时细胞内部已发生变化,确定了未来的发育命运。⑶受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响⑷细胞间的相互作用与位置效应胚胎诱导：动物在一定的胚胎发育时期,一部分细胞影响相邻细胞使其向一定方向分化的作用称为胚胎诱导(embryonicinduction),或称为分化诱导。部位：一般发生在内胚层和中胚层或外胚层和中胚层之间。⑸环境对性别决定的影响⑹染色质变化与基因重排对细胞分化的影响三、细胞分化与胚胎发育—Hoxgenes(Celldevisonanddevelopsofembryon)⒈果蝇体节发育中起关键作用的基因群。含有高度保守的180bp组成的DNA序列，称同源框。编码60个氨基酸，形成螺旋-转角-螺旋结构，与DNA序列大沟相互作用，启动基因表达。⒉同源异型基因在染色体上的排列与胚胎发育在时、空序列上是一致的。胚胎形成（formationoftheembryo）：受精后胚胎的早期发育主要包括卵裂、胚泡形成和宫内植入三个阶段。卵裂：受精卵进行的快速有丝分裂。囊胚：经过卵裂，受精卵被分割成很多小细胞，这些由小细胞组成的中空球形体称为囊胚（blastula）。原肠胚形成（gastrulation）：概念：囊胚细胞迁移，最终将囊胚转变成原肠胚(gastrula)。组成：外胚层内胚层中胚层外胚层形成上皮覆盖在外表面(皮肤和腺体)以及中性组织；内胚层分化成的上皮覆盖在组织的内表面（胃肠和相关的腺体）；中胚层发育成扩散的海绵网状间充质细胞（mesenchymecell），这些细胞形成支持细胞，如肌肉、软骨、骨、血和结缔组织。第二节癌细胞(Cancercell)一、癌细胞的基本特征(Fandmentalfeatureofcancercell)癌症是一种严重威胁人类生命安全的疾病。动物体内细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞称为肿瘤细胞(tumorcell)。具有转移能力的肿瘤称为恶性肿瘤（malignancy）。上皮组织的恶性肿瘤称癌。⒈基本生物学特征⑴细胞生长与分裂失去控制，具有无限增殖能力，成为“永生”细胞。⑵具有扩散性癌细胞的细胞间粘着性下降，具有侵润性和扩散性，这是癌细胞的基本特征。在分化程度上癌细胞低于良性肿瘤细胞，且失去了许多原组织细胞的结构和功能⑶细胞间相互作用改变（识别改变；表达水解酶类；产生新的表面抗原）⑷蛋白表达谱系或蛋白活性改变（胚胎细胞蛋白、端粒酶活性升高）⑸mRNA转录谱系的改变（少数基因表达不同；突变位点不同，表型多变）⑹染色体非整倍性⒉体外培养的恶性转化细胞的特征⑴恶性转化细胞同癌细胞一样具有无限增殖的潜能⑵在体外培养时贴壁性下降⑶失去接触抑制⑷培养时对血清依赖性降低⑸当将恶性转化细胞注入易感动物体内，往往会形成肿瘤二、致癌因素(Theelementwhichcausecancer)⒈多种理化因子致癌⒉DNA肿瘤病毒与RNA肿瘤病毒致癌三、癌症产生是基因突变积累和自然选择的结果(Itisgeneabruptchangeaccumulationandthenaturalselectionresultthatthecarcinomaiscomeintobeing)癌症主要是体细胞突变产生的遗传病，涉及到两大类与细胞增殖相关的基因的突变。⒈促进细胞增殖相关基因突变：原癌基因(proto-oncogene)突变形成癌基因(oncogene)⑴原癌基因存在于细胞基因组中(c-onc)，是控制细胞生长和分裂的基因。编码多种类型的蛋白质---细胞生长和分裂的调控因子。癌基因是控制细胞生长和分裂的原癌基因的一种突变形式。⑵这类基因功能获得性突变(显性突变)，其产物量增加或活性升高，促进细胞癌变。⒉抑制细胞增殖相关基因突变：肿瘤抑制基因(tumor-suppressorgene)⑴抑癌基因是正常细胞增殖过程中的负调控因子。抑癌基因编码的蛋白抑制细胞增殖，使细胞停留于检验点上阻止周期进程。⑵抑癌基因发生功能丧失性突变(隐性突变)，则导致细胞周期失控而过度增殖。⑶Rb基因突变导致视网膜母细胞瘤形成。pRb对细胞周期运转作用⑷P53基因突变将导致细胞癌变或凋亡⒊细胞癌变是基因突变累积和自然选择的结果，所以患者多为年长者。⒋原癌基因与肿瘤抑制基因产物协调作用，避免细胞癌变四、癌症能治疗吗？(Couldthecarcinomabetreatd?)⒈传统思路是手术、放疗、化疗⒉癌症治疗新方案⑴免疫治疗(Immunotherapy)⑵基因治疗(Genetherapy)⑶抑制癌症促进蛋白的活性⑷抑制肿瘤血管形成第三节真核细胞基因表达的调控(Regulationandcontrolofeukaryoncellgeneexpression)真核细胞基因表达的调控是多级调控系统，主要发生在三个彼此相对独立的水平上一、转录水平的调控(regulationandcontrolinthelevelofgenetranscription)⒈真核生物的转录激活⑴基因转录水平的控制错综复杂，受多种因素影响⑵TATA盒、CAAT盒和GC盒，TATA盒决定转录起始的位点，CAAT盒和GC盒决定RNA聚合酶转录基因的效率。这三种普遍的启动子元件的位置见图第1行。⑶缺失作图法（deletionmapping）与DNA足纹技术（DNAfootprinting）鉴定启动子区域特殊位点的功能⑷转录因子结构⑸转录因子与DNA序列相互作用最常见的几种结构模式⒉基因表达阻遏⑴DNA甲基化（DNAmethylation）与基因表达阻遏有关⑵基因组印记（genomicimprinting）是说明甲基化作用在基因表达中具有重要意义的最好例证，也是哺乳动物所特有的现象二、加工水平的调控(Regulationandcontrolofpro