细胞分化与基因表达调控

受精卵内具有个体发育的全部遗传信息,个体是细胞在生长与分裂的基础上，经不断分化发育而来。第第十十三三章章细细胞胞分分化化与与基基因因表表达达调调控控细细胞胞分分化化干干细细胞胞癌癌细细胞胞真真核核基基因因表表达达调调控控思考1.细胞分化是否意味着细胞中遗传物质发生改变？为什么?遗遗传传物物质质没没有有改改变变，，不不同同组组织织的的细细胞胞共共同同来来源源于于受受精精卵卵，，经经有有丝丝分分裂裂产产生生。。如果只有细胞增殖，没有细胞分化，就只能形成一细胞团，而不能形成人体。思考2.同样来自一个受精卵，且每个细胞都携带有相同的遗传信息，为什么还会出现差异?细胞分化的关键：由于基因的选择性表达，合成特异性蛋白质，导致形态、结构和功能各异的细胞。分化的主要标志：细胞内开始合成新的特异性蛋白质。细细胞胞分分化化是是个个体体行行使使正正常常功功能能的的保保证证。。本本质质：：细细胞胞的的基基因因组组相相同同，，但但表表达达谱谱不不同同；；使使细细胞胞能能行行使使不不同同的的功功能能（（分分工工））；；核核心心：：基基因因是是如如何何有有序序表表达达的的？？（（调调控控））。。第第一一节节细细胞胞分分化化与与个个体体发发育育一一、、基基本本概概念念细细胞胞分分化化（（cceellllddiiffffeerreennttiiaattiioonn））：：在在个个体体发发育育中中，，由由同同一一种种类类型型的的细细胞胞经经细细胞胞分分裂裂后后逐逐渐渐在在形形态态、、结结构构和和功功能能上上形形成成稳稳定定性性差差异异，，产产生生各各不不相相同同的的细细胞胞类类群群的的过过程程。。是是个个体体发发育育的的基基础础和和核核心心。。血红蛋白由四条链组成，两条α链和两条β链，每一条链有一个包含一个铁原子的环状血红素。氧气结合在铁原子上，被血液运输。二二、、细细胞胞分分化化的的特特点点１１．．稳稳定定性性：：即即在在正正常常生生理理条条件件下下，，细细胞胞的的分分化化状状态态一一旦旦确确定定，，将将终终生生不不变变，，既既不不能能逆逆转转也也不不能能互互变变。。如：离体培养的上皮细胞，始终保持为上皮细胞，而不会变成其他类型的细胞。2、去分化：在特定条件下，高度分化的细胞可以重新分裂而回得到胚性细胞状态，这种现象叫做去分化(dedifferentiation)。1958年Steward用胡萝卜根培养出完整的新植株，说明已经高度分化的细胞可以重新分裂而回得到胚性细胞状态，这种现象叫做去分化或称脱分化，然后通过再分化形成根茎，最终发育成完整的新植株。33、、转转分分化化和和再再生生4、细胞分化具有时间性和空间性单细胞生物：时间性多细胞生物：时间性＋空间性时间性：指不同的发育时间内细胞之间的差异。空间性：指处于不同空间位置中的同一种细胞的后代之间出现的差异。5、持久性生物体普遍存在分化，细胞分化发生在整个生命进程中。胚胎期是重要的细胞分化时期。细胞分化发生于细胞增殖的Ｇ１期细胞的分裂能力往往随着细胞分化程度的提高而有所下降。6、遗传物质不变性细胞分化是伴随细胞分裂进行的；亲代与子代细胞之间在形态、结构与功能之间发生变化，但遗传物质没有发生变化。细胞分化的潜能随分化进程越变越小：全能性---多潜能性—单能性但细胞核可始终保持分化的全能性。已分化细胞：全能性细胞核细胞核的全能性青蛙的皮肤细胞核培育出新个体既然细胞核是全能性的，每个有核细胞都携带着相同的遗传信息，为什么还会出现不同的分化？三、细胞分化的分子基础细细胞胞分分化化实实质质是是基基因因选选择择性性表表达达的的结结果果哪哪些些基基因因参参与与细细胞胞分分化化方方向向的的确确定定，，导导致致特特异异性性蛋蛋白白质质的的产产生生？？管管家家基基因因和和奢奢侈侈基基因因管管家家基基因因（（hhoouusseekkeeeeppiinnggggeenneess))：：维维持持细细胞胞基基本本功功能能所所必必需需的的基基因因，，在在所所有有细细胞胞类类型型中中均均表表达达，，不不参参与与细细胞胞分分化化方方向向的的确确定定。。ee..gg..,,表表达达染染色色体体的的组组蛋蛋白白、、肌肌动动蛋蛋白白、、微微管管蛋蛋白白、、核核糖糖体体蛋蛋白白的的基基因因eettcc..组组织织特特异异性性基基因因((奢奢侈侈基基因因))（（ttiissssuuee--ssppeecciiffiiccggeenneess))::表表达达细细胞胞分分化化时时出出现现的的特特异异蛋蛋白白质质的的基基因因，，参参与与细细胞胞分分化化方方向向的的确确定定。。如如表表达达红红细细胞胞中中血血红红蛋蛋白白的的基基因因、、表表达达肌肌细细胞胞中中肌肌动动蛋蛋白白和和肌肌球球蛋蛋白白基基因因eettcc..调调节节基基因因（（rreegguullaattoorryyggeenneess))::调调节节奢奢侈侈基基因因的的表表达达。。结结论论：：细细胞胞分分化化的的实实质质是是————组组织织特特异异性性基基因因在在时时间间与与空空间间上上的的差差异异表表达达。。（一）细胞分化是基因选择性的表达基因差异表达：细胞分化并不是基因组DNA全部表达，而是奢侈基因按一定程序，有选择地相继活化表达。不同细胞：相同DNA不同RNA不同PRO分子杂交实验证明：细胞分化是基因选择性表达的结果。分化细胞间的差异往往是一群基因表达的差异，而不仅仅是一个基因表达的差异。分子杂交技术检测基因及其表达所以细胞分化的实质是基因的差别表达（differentialexpression）（（二二））组组织织特特异异性性基基因因调调控控的的基基本本模模式式细细胞胞分分化化过过程程是是由由一一系系列列基基因因产产物物（（rreegguullaattoorryypprrootteeiinnss））调调控控的的。。机机制制：：11、、组组合合调调控控ii..ee..,,每每个个基基因因的的表表达达都都必必须须：：在在正正确确的的细细胞胞中中；；在在正正确确的的时时间间；；对对正正确确的的信信号号产产生生正正确确的的反反应应；；产产生生正正确确的的表表达达水水平平。。问问题题：：细细胞胞是是如如何何协协调调这这一一过过程程的的？？组合调控引发组织特异性基因的表达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。借助于组合调控，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）。答答案案：：一一个个关关键键的的调调控控蛋蛋白白，，可可以以调调控控一一系系列列下下游游基基因因，，完完成成细细胞胞分分化化。。组组合合调调控控：：少少数数调调控控蛋蛋白白完完成成众众多多细细胞胞类类型型的的分分化化比喻：调控蛋白，如同单词和文章。Limitedwords→unlimitedmeaning单细胞有机体的细胞分化单细胞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。面显得更为复杂。四四、、影影响响细细胞胞分分化化的的因因素素（一）影响细胞分化的内在因素卵细胞质细胞核的作用核质相互作用（1）卵细胞质的作用卵细胞质的作用：细胞决定，即决定细胞分化的方向。作用时间：胚胎发育早期（卵裂期）细细胞胞决决定定细胞在发生可识别的形态变化之前，就已经受到约束而向特定方向分化，这时细胞内部已经发生变化，确定了未来的发育命运。分化方向决定后，一般不会中途改变。以蛙为例：蛙受精卵的细胞质是不均质的，这种不均质性,对胚胎的早期发育具有很大影响，在一定程度上决定细胞的早期分化。细胞决定鸡胚：移植前，肢芽（长出大腿）和翼芽（长出翅膀）两处细胞形态相同，均未分化。肢芽组织块移植至翼芽部位，结果：翼尖为脚趾。（2）细胞核的作用在细胞分化中，细胞核起着决定性的作用。第一、遗传物质决定性状，而遗传物质位于细胞核内。第二、从全能细胞→多能细胞→单能细胞，是细胞核内基因选择性表达的结果。（3）核质相互作用细胞核中的基因对细胞质的代谢起调节作用；细胞质对核内基因的活性有控制作用；因此，核质的作用是相互的，紧密联系着的，共同影响着细胞分化。（二）影响细胞分化的外在因素细胞间的相互作用环境因素细胞间的相互作用1、诱导式的相互作用细胞的诱导（induction）：是指一部分细胞接受外部信号后使邻近细胞的形态发生变化，并决定其分化方向的作用。诱导现象在动物的胚胎发育过程中是普遍存在的。2.相邻细胞的侧向抑制已分化的细胞可产生抑素，这种化学介质可抑制邻近的细胞进行相同的分化，可避免器官重复发育。如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正常的心脏。1.胞外信号脊索可诱导其顶部的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体，而晶体又可诱导外胚层形成角膜。（二）影响细胞分化的外在因素环环境境因因素素：：温温度度、、光光线线等等。。由由环环境境因因素素的的影影响响可可能能造造成成第第一一次次不不等等分分裂裂，，从从而而决决定定了了细细胞胞的的分分化化。。环环境境→→基基因因表表达达→→细细胞胞分分化化→→性性状状（（ee..gg..,,性性别别决决定定，，癌癌））第二节细胞分化的潜能一、全能性生物体中的一个体细胞或一个性细胞在一定条件下，有能力重新形成完整的个体，或者分化形成该个体任何种类的细胞。此特性称为“细胞全能性”。细胞分化经历一个分化能力逐渐受限制的过程多潜能细胞：只具有演变为多种细胞类型的能力。单能细胞：仅具有分化形成某一种类型细胞的能力。共同规律：全能→多能→单能已分化细胞：全能性细胞核二、干细胞干细胞(Stemcell)：在个体发育过程中，具有自我复制能力，既可以通过细胞分裂维持自身细胞数量，也可进一步分化成一种以上类型细胞的多潜能细胞。干细胞的分类干细胞的基本特性通常呈圆形且具有不同的生化特性。增殖速度通常很慢。不同干细胞具有不同的分化潜能。干细胞的增殖与分化主要受其微环境的调控。细细胞胞分分化化与与机机体体的的正正常常功功能能：：第第三三节节细细胞胞分分化化与与癌癌细细胞胞癌癌细细胞胞：：由由于于基基因因的的突突变变，，导导致致动动物物体体内内某某些些已已分分化化的的细细胞胞的的生生长长和和分分裂裂失失控控，，脱脱离离了了衰衰老老和和死死亡亡的的正正常常途途径径，，而而成成为为无无限限增增殖殖的的细细胞胞，，称称为为癌癌细细胞胞或或肿肿瘤瘤细细胞胞((ttuummoorrcceellll))。。比比喻喻：：动动物物体体（（人人））——一一个个特特殊殊的的““社社会会””（（ssoocciieettyy））;;细细胞胞——““社社会会””中中的的个个体体（（iinnddiivviidduuaallss））;;原原则则——““个个体体””的的自自我我牺牺牲牲（（sseellff--ssaaccrriiffiiccee））;;癌癌细细胞胞——““社社会会””中中的的““不不轨轨分分子子””（（违违反反上上述述原原则则，，““疯疯狂狂增增殖殖””））。。过过程程：：本本质质：：体体细细胞胞基基因因组组的的改改变变（（突突变变的的积积累累））；；癌癌症症是是由由众众多多因因素素引引发发的的““基基因因病病””（（ggeenneeddiissoorrddeerr））（（体体细细胞胞））；；有有别别于于通通过过性性细细胞胞传传递递的的““遗遗传传病病””（（ggeenneettiiccddiissoorrddeerr））复复杂杂性性：：美美国国““攻攻克克癌癌症症””的的十十年年计计划划的的失失败败，，…………特特征征：：11，，生生长长和和分分裂裂失失控控““永永生生””细细胞胞（（iimmmmoorrttaall））；；细细胞