细胞生物学细胞分化

细胞分化CellDifferentiation生物教研室：刘岚Human:1014cells,200celltypes教学要求掌握：细胞分化的基本概念、一般规律和潜能；细胞决定的基本概念和特征。熟悉：细胞分化的影响因素。了解：细胞分化与基因表达调控、细胞分化与肿瘤。第一节细胞分化的一般概念一、细胞分化的概念Abouttheconceptofcelldifferentiation精子卵受精卵分化新个体发育第一节细胞分化的一般概念细胞分化（celldifferentiation）：是指同一来源的细胞经过分裂逐渐在形态结构、生理功能和蛋白质等方面产生稳定性差异的过程。识别细胞分化的三项指标：形态结构、生理功能、生化特征。细胞分化的主要标志（关键）：细胞内开始合成新的特异性蛋白质（如：角蛋白、肌球蛋白、肌动蛋白）。细胞分化的本质：由于基因选择性表达（基因差别表达，Genedifferentiatedexpress）合成特异性蛋白质，导致形态、结构和功能各异的细胞的出现。第一节细胞分化的一般概念（一）细胞分化的稳定性（stability）二、细胞分化的一般规律第一节细胞分化的一般概念实验：①离体培养的皮肤上皮细胞，传代后仍保持为上皮细胞②黑色素细胞体外培养30多代后，仍能合成黑色素颗粒稳定性是细胞分化最显著的特点，是个体生命活动的基础。已分化的细胞在形态结构和功能上保持稳定。（一）细胞分化的稳定性（二）细胞分化的可逆性二、细胞分化的一般规律第一节细胞分化的一般概念去分化（一）细胞分化的稳定性（二）细胞分化的可逆性1、去分化二、细胞分化的一般规律第一节细胞分化的一般概念某些特殊条件下，已经分化的细胞可以发生逆转，回复到原未分化状态的现象，称为去分化（dedifferentiation）或脱分化。细胞分化的可逆性去分化再分化转分化（一）细胞分化的稳定性（二）细胞分化的可逆性1、去分化2、转分化二、细胞分化的一般规律第一节细胞分化的一般概念已经分化的细胞可从一种分化状态变为另一种分化状态的现象，称为转分化（transdifferentiation）。★无论是动物还是植物，细胞分化的稳定性是普遍存在的，而分化的可逆性（转分化、去分化）是有条件的。（一）细胞分化的稳定性（二）细胞分化的可逆性（三）细胞分化基因调节的保守性二、细胞分化的一般规律第一节细胞分化的一般概念Engrailed-1基因敲除实验1：缺乏小脑实验2：Engrailed-1基因敲除输入果蝇的Engrailed-1同源蛋白小脑发育（一）细胞分化的稳定性（二）细胞分化的可逆性（三）细胞分化基因调节的保守性二、细胞分化的一般规律第一节细胞分化的一般概念证明：不同动物的同源蛋白，特别是同源调节蛋白，在结构、功能及生化反应上具有一定的相似性。（一）细胞分化的稳定性（二）细胞分化的可逆性（三）细胞分化基因调节的保守性（四）细胞分化的时空性二、细胞分化的一般规律第一节细胞分化的一般概念细胞分化的空间性：指同一种细胞的后代，由于各种细胞所处的空间位置不同，其环境也不一样，可以有不同的形态结构和功能。细胞分化的时间性：指一个细胞在不同的发育阶段细胞可以有不同的形态结构和功能。血细胞的发生第一节细胞分化的一般概念三、细胞分化的生物学意义增殖增殖细胞分化是个体发育的基础。胚胎发育过程中——产生不同组织器官形成新的个体。胚后发育中——产生特定类型细胞补充组织损失的细胞。第二节细胞决定与细胞分化细胞决定（celldetermination）：个体发育过程中，细胞在发生可识别的形态变化之前就已确定了未来的发育命运，这种细胞预先作出的分化选择，称为细胞决定。一、细胞决定与细胞分化1、概念第二节细胞决定与细胞分化细胞决定的时间：胚胎发育早期细胞决定是早期发育事件在胚胎三胚层期，在细胞之间出现可识别的形态和功能差异以前，各器官的预定区已经确定，每个预定区决定了它只能按一定的规律发育分化成特定的组织、器官和系统。一、细胞决定与细胞分化1、概念第二节细胞决定与细胞分化二、细胞决定的特征1、细胞决定的稳定性2、细胞决定的可遗传性3、细胞决定的可逆性表皮脑表皮表皮表皮脑第二节细胞决定与细胞分化二、细胞决定的特征1、细胞决定的稳定性两栖类在早晚原肠胚之间开始细胞决定；一但决定后，即使外界因素改变，细胞仍按照已经决定的方向分化。细胞决定先于细胞分化并制约着细胞分化的方向。原肠胚晚期原肠胚早期第二节细胞决定与细胞分化二、细胞决定的特征1、细胞决定的稳定性2、细胞决定的可遗传性果蝇是分化研究的重要模型动物，成虫盘是幼虫体内已决定的尚未分化的细胞团，在幼虫阶段这些细胞群无明显形态差异；在变态期，不同部位的成虫盘分别向着一定方向分化，逐渐发育为果蝇的腿、翅、触角等相应的成体结构。果蝇成虫盘细胞的移植实验成虫盘细胞的决定稳定并可被遗传。这种稳定性和遗传性不受增殖代数影响而改变。第二节细胞决定与细胞分化二、细胞决定的特征1、细胞决定的稳定性2、细胞决定的可遗传性3、细胞决定的可逆性细胞决定的实质：细胞在接受某种指令或信号分子后，特定基因激活或抑制，表现出稳定的印记存储于基因组中。关系：细胞决定先于细胞分化，并制约着细胞分化的方向。（一）卵细胞质对早期胚胎细胞决定的影响在胚胎早期发育过程中，细胞质中某些物质成分的分布有区域性，胞质成分不均质。三、细胞决定的机制及调节第二节细胞决定与细胞分化细胞分裂时胞质成分（决定子）呈不均等分配到子细胞中，这种不均一性胞质成分可以调控细胞核基因的表达，在一定程度上决定细胞的早期分化。五、细胞决定的机制及调节第二节细胞决定与细胞分化（一）卵细胞质对早期胚胎细胞决定的影响（二）细胞决定与发育阶段特异基因表达骨骼肌细胞发育：（1）体节细胞出现细胞决定（分化方向），分化为成肌细胞；（2）成肌细胞向胚胎肢芽迁移并保持增殖能力；（3）成肌细胞停止分裂，彼此融合成多核体细胞（或肌管），伴随细胞融合的出现，对骨骼肌发育及其功能有关的各种肌细胞特异基因的表达使其分化为成熟的骨骼肌细胞。细胞决定从本质上讲是发育阶段特异基因表达的结果。第三节细胞分化潜能细胞分化的普遍规律：全能→多能→单能1、全能性细胞（totipotentcell）：具有发育为一个完整个体的能力的细胞。哺乳类在形成囊胚以前的细胞前（8-16细胞期）均为全能性。细胞分化从囊胚开始。受精卵桑椹胚一、在发育过程中细胞潜能逐渐变窄第三节细胞分化潜能囊胚第二节细胞决定与细胞分化2、多能性细胞（pluripotentcell）：在胚胎发育的三胚层形成后，细胞的分化潜能受到限制，仅能向本胚层组织和器官分化发育的细胞。（胚胎干细胞，胚胎生殖细胞）3、单能性细胞（unipotencycell）：经过器官发生，各种组织细胞在形态上特化、功能上专一化，形成单能性细胞。（上皮基底层干细胞、肌肉中成肌细胞等）一、在发育过程中细胞潜能逐渐变窄疏松结缔组织致密结缔组织中胚层软骨骨肌肉形成血的组织髓样组织淋巴组织泌尿生殖系统受精卵卵裂分化腺脑脊髓毛、齿甲、爪呼吸系统上皮消化道上皮胰肝腺甲状腺甲状旁腺外胚层中胚层内胚层细胞决定是细胞分化潜能逐渐受限的过程。第二节细胞决定与细胞分化①随着分化程度的提高，细胞分裂能力逐渐下降。高度分化的细胞往往不再发生分裂。②随着分化程度的提高，细胞对环境因子的反应能力也逐渐下降。一、在发育过程中细胞潜能逐渐变窄高等动物在胚胎发育过程中，细胞的全能性逐渐受到限制最后成为终末分化细胞。细胞核却始终保持着其分化的全能性，称为全能性细胞核（totipotentnucleus）。第二节细胞决定与细胞分化三、细胞分化的潜能与细胞决定（一）在发育过程中细胞潜能逐渐变窄（二）分化细胞细胞核的全能性“细胞核全能性”研究历史1938年汉斯-施佩曼提出设想——从发育后期的胚胎取出细胞核，将其移植到卵子中。1951年利从青蛙的后期胚胎细胞中取出细胞核移植获得蝌蚪和成体蛙。1963年我国童第周以金鱼作为材料，鱼类胚胎细胞核移植技术获得成功。1964年英国科学家格登利用爪蟾细胞核移植实验证明了体细胞核的全能性。1981年卡尔-伊尔门泽和彼得-霍佩利用鼠胚胎细胞培育出发育正常的小鼠。1984年施特恩-维拉德森用取自羊的未成熟胚胎细胞克隆出一只活产羊。1989年维拉德森获得连续移核二代的克隆牛。1994年尼尔-菲尔斯特用发育到至少有120个细胞的晚期胚胎克隆牛。Dolly的标本和伊恩博士Dolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊Dolly由英国爱丁堡大学的伊恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺结核而被安乐死，它的标本于2003年4月9日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。遗传物质主要存在于细胞核中已分化的动物体细胞的细胞核具有全能性2007年美国科学家利用细胞核转移技术成功克隆出猕猴胚胎。日本16年死鼠“死而复生”克隆技术是福是祸2008年11月6日CCTV第一时间日本神户市的科学家表示，他们利用从冷冻了16年的老鼠尸体上提取大脑细胞，成功地使它“死而复生”。这项克隆技术有望克隆出已经灭绝的生物甚至逝去的死者，但同时也引发了巨大的科学伦理争议。韩国：成功克隆首批转基因荧光狗2009、4、27持家基因（housekeepinggene）：持家基因（housekeepinggene）：维持细胞基本活动所必需的基因。持家蛋白：由持家基因（housekeepinggene）表达，存在于所有分化类型的细胞中，维持细胞生存所必需的基本蛋白，如细胞骨架蛋白、膜蛋白、染色质的组蛋白、核糖体蛋白等。奢侈基因（luxurygene）：奢侈基因（luxurygene）：编码组织细胞特异性蛋白的基因，其产物对细胞的生存无直接影响，但对细胞的分化、决定细胞的特异性方面起重要作用。奢侈蛋白：由奢侈基因编码，仅存在与特定的分化细胞中，赋予分化细胞不同特征的特异性蛋白，如红细胞中的血红蛋白、皮肤表皮细胞中的角蛋白、肌细胞中的肌动蛋白和肌球蛋白。第四节基因与细胞分化细胞核细胞质环境因素细胞间的相互作用激素细胞外因素细胞内因素第五节影响细胞分化的因素第五节影响细胞分化的因素一、细胞内因素（一）细胞核：基因的特异性表达（二）细胞质：调控特异性基因表达第五节影响细胞分化的因素生物个体的生长发育离不开环境，环境中的物理、化学因子等往往以提供信号的方式影响机体的细胞分化。如：如豚鼠的孕期为68d，如果在妊娠18—28d给母鼠增温度3—4℃1小时，胎鼠脑重可减轻10％。二、细胞外因素（一）环境因素第五节影响细胞分化的因素1、诱导胚胎诱导（embryonicinduction）：胚胎发育特定阶段，一部分细胞对邻近细胞产生影响，并决定其分化方向的作用，称为胚胎诱导。①胚胎诱导可发生在不同胚层之间，也可以发生在同一胚层不同区域之间。②中胚层首先开始独立分化，再促进内胚层、外胚层向着各自相应的组织器官分化。二、细胞外因素（二）细胞间的相互作用（1）诱导具有层次初级诱导→次级诱导→三级诱导举例：眼球发育过程的多级诱导作用1）胚胎诱导的特点：第五节影响细胞分化的因素中胚层脊索诱导外胚层细胞向神经方向分化，神经板产生，这是初级诱导；神经管形成后，诱导其外表面覆盖的外胚层形成眼晶状体，这是次级诱导；晶状体进一步诱导其外面的外胚层形成角膜，这是三级诱导。（1）诱导具有层次（2）诱导有区域特异性和遗传特异性区域特异性：同样类型的细胞，发育时期不同、位置不同，诱导不同基因的选择性表达，表现出区域特异性。第五节影响细胞分化的因素1)胚胎诱导的特点:实验1：将鸡胚不同部位的表皮和不同部位的间质分离后，再按不同方式组合。间质对表皮的分化具指令性作用；外胚层具有分化成羽毛、鳞片或其他皮肤衍生物的潜能。结论：同一类型的外胚层根据中胚层所取的区域发育。Figure6.7Regionalspecificityofinduction.Whencellsfromdifferentregionsofthedermis(mesenchyme)arerecombinedwiththeepidermis(epithelium)inthec