09第十五章-细胞分化

第十五章细胞分化(celldifferentiation)内容第一节细胞分化的基本概念第二节细胞分化的分子基础第三节细胞分化的影响因素第四节细胞分化的医学意义第一节细胞分化的基本概念一、细胞分化贯穿于多细胞生物个体发育的全过程三、细胞分化具有高度的稳定性二、细胞分化的方向由细胞决定所选择五、细胞分化的时-空性六、细胞分化与细胞的分裂状态和速度相适应四、已分化的细胞在特定条件下可发生去分化和转分化细胞分化的概念：由单个受精卵产生的细胞，在形态结构、生化组成和功能等方面均有明显的差异，形成这种稳定性差异的过程称为细胞分化(celldifferentiation)。细胞分化一、细胞分化贯穿于多细胞生物个体发育的全过程多细胞生物的个体发育过程：一般包括胚胎发育和胚后发育两个阶段，前者包括卵裂、囊胚、原肠胚等几个基本的发育阶段，脊椎动物还要经过神经轴胚期以及器官发生等阶段。细胞分化的明显改变开始于原肠胚形成之后。胚胎发生受精囊胚晚期卵裂早期卵裂1.动物胚胎的三胚层代表不同类型细胞的分化去向脊椎动物细胞分化示意图2.细胞分化的潜能随个体发育进程逐渐“缩窄”全能（干）细胞：在一定条件下，能够分化发育成为完整个体的细胞，如哺乳动物桑葚胚的8细胞期之前的细胞。多能（干）细胞：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方向分化发育的细胞。经过器官发生，各种组织细胞的命运最终确定，呈单能化。细胞分化的一般规律：在胚胎发育过程中，细胞逐渐由“全能”到“多能”，最后向“单能”的趋向。全能性细胞核（totipotentnucleus）：终末分化细胞的细胞核仍然具有全能性。证明细胞核全能性的实验——核移植实验。3.终末分化细胞的细胞核具有全能性⑴爪蟾核移植实验⑵哺乳动物核移植实验——“多莉”（Dolly）羊的诞生1.细胞决定先于细胞分化并制约着分化的方向细胞决定(celldetermination)：在个体发育过程中，细胞在发生可识别的分化特征之前就已经确定了未来的发育命运，只能向特定方向分化的状态。二、细胞分化的方向由细胞决定来选择原肠期的三胚层形成时，形成各器官的预定区已经确定，只能按一定的规律发育分化成特定的组织、器官和系统。细胞决定实验示意图（胚胎移植实验）2.细胞决定具有遗传稳定性细胞决定表现出遗传稳定性。典型的例子是果蝇成虫盘细胞的移植实验。果蝇成虫盘细胞决定状态的移植实验在果蝇研究中发现，有时某种培养的成虫盘细胞会出现不按已决定的分化类型发育，而是生长出不是相应的成体结构，发生了转决定。三、已分化的细胞在特定条件下可发生去分化和转分化1.细胞分化具有高度的稳定性细胞分化的稳定性（stability）：是指在正常生理条件下，已经分化为某种特异的、稳定类型的细胞一般不可能逆转到未分化状态或者成为其他类型的分化细胞。已分化的终末细胞在形态结构和功能上保持稳定是个体生命活动的基础。2.已分化的细胞可发生去分化去分化的概念：一般情况下，细胞分化过程是不可逆的。然而在某些条件下，分化了的细胞也不稳定，其基因活动模式也可发生可逆性的变化，而又回到未分化状态，这一变化过程称为去分化(dedifferentiation)。转分化的概念：在高度分化的动物细胞中还可见到另一种现象，即从一种分化状态转变为另一种分化状态，这种情况称为转分化。3.特定条件下已分化的细胞可转分化为另一种类型细胞必须指出的是，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，即发生细胞的转分化或去分化是有条件的。四、细胞分化的时-空性在个体发育过程中，多细胞生物细胞既有时间上的分化，也有空间上的分化。一个细胞在不同的发育阶段可以有不同的形态结构和功能，即时间上的分化；同一种细胞的后代，由于每种细胞所处的空间位置不同，其环境也不一样，可以有不同的形态和功能，即空间上的分化。五、细胞分裂与细胞分化细胞分裂和细胞分化是多细胞生物个体发育过程中的两个重要事件，两者之间有密切的联系。细胞分化发生于细胞分裂的G1期，当G1期很短或几乎没有G1期时，细胞分化减慢。细胞分裂旺盛时分化变缓，分化较高时分裂速度减慢——个体生长发育的一般规律。通常细胞在增殖（细胞分裂）的基础上进行分化第二节细胞分化的分子基础一、细胞分化的本质是基因组中不同基因的选择性表达三、细胞分化的基因表达调控主要发生在转录水平二、小RNA通过调控蛋白质基因的表达谱来决定细胞分化一、细胞分化的本质是基因组中不同基因的选择性表达1.基因的选择性表达是细胞分化的普遍规律细胞分化过程中一般并不伴有基因组的改变。多细胞生物个体发育与细胞分化过程中，其基因组DNA并不全部表达，而呈现选择性表达，它们按照一定的时-空顺序，在不同细胞和同一细胞的不同发育阶段发生差异表达。细胞分化的本质：基因的选择性表达，一些基因处于活化状态，同时另一些基因被抑制而不活化。奢侈基因：编码组织细胞特异性蛋白的基因。奢侈蛋白：由奢侈基因编码，仅存在于特定的分化细胞中，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。管家蛋白：由管家基因表达，存在于所有分化类型细胞中，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。2.基因组改变是细胞分化的特例基因组丢失：在马蛔虫发育过程中，只有生殖细胞得到了完整染色体，而体细胞中的染色体只是部分染色体片段。哺乳动物（除骆驼外）的红细胞以及皮肤、羽毛和毛发的角化细胞则丢失了完整的核。基因组扩增：见于果蝇的腺细胞和卵巢滤泡细胞，染色体多次复制，形成多倍体和多线体。基因重排：在B淋巴细胞分化过程中，DNA通过体细胞重组,使DNA序列中不同部位的部分基因片段连接在一起，组成产生抗体mRNA的DNA序列。二、胞质中的细胞分化决定因子与传递方式影响细胞分化的命运1.母体效应基因产物的极性分布决定了细胞分化与发育的命运母体效应基因（产物：在卵质中呈极性分布、在受精后被翻译为在胚胎发育中起重要作用的转录因子和翻译调节蛋白的mRNA分子，它们在细胞发育命运的决定中起重要作用。受精前后bicoid基因mRNA及翻译蛋白的浓度梯度分布2.胚胎细胞分裂时胞质的不均等分配影响细胞的分化命运不对称分裂的概念：在胚胎早期发育过程中，细胞质成分是不均质的，胞质中某些成分的分布有区域性。当细胞分裂时，细胞质成分被不均等地分配到子细胞中，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。不对称分裂的实例：细胞质中numb蛋白的不对称分布能够影响果蝇神经细胞的发育三、细胞分化的基因表达调控主要发生在水平1.基因的时序表达基因表达的时间特异性：某一特定基因表达严格按照一定的时间顺序发生阶段特异性：从受精卵到组织、器官形成的各个不同发育阶段，都会有不同的基因严格按照自己特定的时间顺序开启或关闭，表现为分化、发育阶段一致的时间性。个体发育过程中血红蛋白的表达特点：脊椎动物的血红蛋白由2条α-珠蛋白链和2条β-珠蛋白链组成，其在个体发育不同时期表达不一样。人珠蛋白基因结构与基因表达的调控区相互作用的转录因子分两大类：2.组织细胞特异性转录因子和活性染色质结构区决定了细胞特异性蛋白的表达通用转录因子：为大量基因转录所需要并在许多细胞类型中都存在的因子。组织细胞特异性转录因子：为特定基因或一系列组织特异性基因所需要，并在一个或很少的几种细胞类型中存在的因子。通情况下，细胞特异性的基因表达是由于仅存于那种类型细胞中的组织细胞特异性转录因子与基因的调控区相互作用的结果。3.细胞分化过程中基因表达调控的复杂性（1）一个关键基因调节蛋白的表达能够启动特定谱系细胞的分化(2)一些基因调节蛋白的组合能产生许多类型的细胞(3)染色质成分的共价修饰制约基因的转录(4)同源异形框基因规划机体前－后体轴结构的分化与发育蓝图(1)一个关键基因调节蛋白的表达能够启动特定谱系细胞的分化细胞分化主导基因的概念：细胞分化中基因活化的一种方式是，作为转录因子的基因产物本身起正反馈调节蛋白作用。由此维持一系列细胞分化基因的活动只需要激活基因表达的起始事件，即特异地参与某一特定发育途径的起始基因。该基因一旦打开，它就维持在活化状态，表现为能充分的诱导细胞沿着某一分化途径进行，从而导致特定谱系细胞的发育。具有这种正反馈作用的起始基因通常称为细胞分化主导基因。例如，在哺乳动物的成肌细胞向肌细胞分化过程中，myoD基因起重要作用。脊椎动物骨骼肌细胞分化机制(3)染色质成分的共价修饰制约基因的转录染色质成分的共价修饰包括：DNA的甲基化；组蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化和羰基化。DNA和组蛋白的修饰都会引起染色质结构和基因转录活性的变化。染色质成分的共价修饰在基因转录调控上的作用是可遗传的。(2)一些基因调节蛋白的组合能产生许多类型的细胞在甲基转移酶催化下，DNA分子中的胞嘧啶可转变成5-甲基胞嘧啶，这称为DNA甲基化。作用：DNA的甲基化位点阻碍转录因子结合，甲基化程度越高，DNA转录活性越低。DNA甲基化在转录水平上调控细胞分化的基因表达①DNA甲基化概念组蛋白乙酰化：在组蛋白乙酰基转移酶作用下，于组蛋白N-端尾部的赖氨酸加上乙酰基。乙酰化的作用：在大多数情况下，组蛋白乙酰化有利于基因转录。低乙酰化的组蛋白通常位于非转录活性的常染色质区域或异染色质区域。组蛋白的乙酰化和去乙酰化影响转录因子与DNA的结合四、小RNA在细胞分化中的作用小RNA:是长度约在20～30个核苷酸的非编码RNA.微小RNA(microRNA,miRNA):前体为70～90nt，由具有核糖核酸酶性质的Drosha和Dicer酶加工而成。小干扰RNA(smallinterferingRNA,siRNA）：来源于外源性的长双链RNA，是Dicer酶解产物。小RNA是在研究秀丽隐杆线虫（C.elegan）细胞命运的时间控制过程中被发现的；广泛地存在于哺乳动物，具有高度的保守性，通过与靶基因mRNA互补结合而抑制蛋白质合成或促使靶基因mRNA降解。第三节细胞分化的影响因素一、胚胎细胞间相互作用协调细胞分化的方向二、激素是不相邻的远距离的细胞间相互作用的分化调节因子三、细胞分化的方向可因环境因素的影响而改变胚胎诱导：胚胎发育过程中，一部分细胞对邻近细胞产生影响并决定其分化方向的现象，称为诱导或胚胎诱导。胚胎诱导的特点：胚胎细胞间的相互诱导作用是有层次的。在三个胚层中，中胚层首先独立分化，该过程对相邻胚层有很强的分化诱导作用，促进内胚层、外胚层各自向相应的组织器官分化。一、胚胎细胞间相互作用协调细胞分化的方向1.胚胎细胞间相互作用的主要表现形式是胚胎诱导胚胎诱导的分子基础：胚胎诱导是通过诱导组织释放的各种旁分泌因子（paracrinefactor）实现的。这些旁分泌因子以诱导组织为中心形成由近及远的浓度梯度，它们与反应组织细胞表面的受体结合，将信号传递至细胞内，通过调节反应组织细胞的基因表达而诱导其发育和分化。常见的旁分泌因子及其信号转导通路信号通路配体家族受体家族细胞外抑制或调节因子受体酪氨酸激酶EGFFGF（Branchless）ephrinsEGF受体FGF受体（Breathless）Eph受体ArgosTGF-β超家族TGF-βBMP（Dpp）NodalTGF-β受体BMP受体chordin(Sog),nogginWntWnt(Wingless)FrizzledDickkopf,CerberusHedgehogHedgehogPatched,SmoothenedNotchDeltaNotchFringe2.胚胎细胞间的相互作用还表现为细胞分化的抑制效应抑制：是指在胚胎发育中已分化的细胞抑制邻近细胞进行相同分化而产生的负反馈调节作用。二、激素是不相邻的远距离的细胞间相互作用的分化调节因子激素是远距离细胞间相互作用的分化调节因子，是个体发育晚期的细胞分化调控方式。三、细胞分化的方向可因环境因素的影响而改变