第十一章 细胞分化（陈誉华）

null第十一章 细胞分化第十一章 细胞分化(cell differentiation)内容内容第一节 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null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 二、细胞分化具有高度的稳定性 三、细胞分化的方向由细胞决定所选择 四、已分化的细胞在特定条件下可发生去分化和转分化 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null 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) 。 一、细胞分化贯穿于多细胞生物 个体发育的全过程一、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。1.动物胚胎的三胚层代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 不同类型细胞的分化去向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”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。null 全能性细胞核（totipotent nucleus）：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null⑵ 哺乳动物核移植实验——“多莉”（Dolly）羊的诞生null1. 细胞决定先于细胞分化并制约着分化的方向 细胞决定(cell determination)：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。 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二、细胞分化的方向由细胞决定来选择null2. 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。 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（transdetermination）。null果蝇成虫盘细胞决定状态的移植实验三、已分化的细胞在特定条件下可发生去分化和转分化三、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)。null 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（transdifferentiation）。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。 通常细胞在增殖（细胞分裂）的基础上进行分化 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。null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 二、细胞分化的基因表达调控主要发生在 转录水平 三、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 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（differential expression）。 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。null 奢侈基因（luxury gene）：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(housekeeping protein) ：由管家基因(housekeeping gene)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2. 基因组改变是细胞分化的特例基因组扩增：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（polyploid）和多线体（polyteny）。 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。 基因重排：在B淋巴细胞分化过程中，DNA通过体细胞重组（somatic recombination）, 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、细胞分化的基因表达调控主要发生在 转录水平 二、细胞分化的基因表达调控主要发生在 转录水平 1.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 与基因表达的调控区相互作用的转录因子分两大类： 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。null 活性染色质结构与基因转录：以血红蛋白表达为例介绍。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null血红蛋白选择性表达机制： 在个体发育过程中依次有不同的β-珠蛋白基因的打开和关闭，这与β-珠蛋白基因簇上游的基因座控制区（locus control region, LCR）有关。 LCR距离ε基因的5’末端约10,000碱基对以上 ，可使任何与它相连的β-家族基因高水平表达。 LCR控制的β-珠蛋白基因活化的可能机制2. 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（master control gene）。null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。⑴DNA甲基化在转录水平上调控细胞分化的基因表达 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。 分布：常见于富含CG二核苷酸的CpG岛，主要集中于异染色质区，其余则散在于基因组中。 含量：哺乳动物基因组中约70%～80%的CpG位点是甲基化的。 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。⑴DNA甲基化在转录水平上调控细胞分化的基因表达 ① DNA甲基化概念null人类胚胎红细胞中珠蛋白基因的甲基化null② DNA 甲基化导致基因失活/沉默的可能机制 甲基化直接干扰转录因子与启动子中特定的结合位点的 结合； 特异的转录抑制因子直接与甲基化DNA结合； 染色质结构的改变。⑵ 组蛋白的乙酰化和去乙酰化影响转录因子与DNA的结合组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为组蛋白密码（histone code），它决定了染色质转录活跃或沉默的状态。 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。⑵ 组蛋白的乙酰化和去乙酰化影响转录因子与DNA的结合 组蛋白的化学修饰将引起局部染色质结构的改变，并进而决定了转录因子是否能够与基因表达调控区结合；基因活化蛋白一方面通过组蛋白修饰导致染色质结构改变，另一方面还可募集依赖于ATP的染色质重塑复合体，使启动子部位的核小体舒展开。 组蛋白的化学修饰将引起局部染色质结构的改变，并进而决定了转录因子是否能够与基因表达调控区结合；基因活化蛋白一方面通过组蛋白修饰导致染色质结构改变，另一方面还可募集依赖于ATP的染色质重塑复合体，使启动子部位的核小体舒展开。 基因活化蛋白引导的染色质局部结构改变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 分化与发育蓝图同源异形框基因：广泛存在于从酵母到人类的各种真核生物中的基因，其特点是基因中存在共同的180bp的DNA片段，编码高度同源的60个氨基酸。这个共同的180bp DNA片段被称为同源异形框（homeobox），含有同源异形框的基因谓之同源异形框基因（homeobox gene），如果蝇的HOM 基因，动物和人类的Hox基因。 同源异形域蛋白：由同源异形框基因编码的蛋白称为同源异形域蛋白（homeodomain protein）。 null 高度保守的60个氨基酸片段，为一种螺旋-环-螺旋（HLH）结构，其中的9个氨基酸（第42～50位）与DNA的大沟相结合，能识别其所控制的基因启动子中的特异序列，引起特定基因表达的激活或阻抑。不同生物同源异形框编码的氨基酸序列比较nullHOM或Hox基因在染色体上的排列顺序与其在体内 的不同时空表达模式相对应： 这些基因激活的时间顺序表现为越靠近前部的基因表达越早，而靠近后部的基因表达较迟。 这些基因表达的空间顺序表现为头区的最前叶只表达该基因簇的第一个基因，而身体最后部则表达基因簇的最后一个基因。null果蝇和小鼠同源异形框基因及其表达模式null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(small interfering RNA, 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。研究表明，它们参与了细胞分化与发育的基因表达调控。null第三节 细胞分化的影响因素一、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 二、胚胎细胞间相互作用协调细胞分化 的方向 三、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 四、细胞分化的方向可因环境因素的影 响而改变一、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一、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（maternal effect gene）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null2. 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。null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null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(embryonic induction)。 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。二、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null眼球发育过程中的多级诱导作用 A 初级诱导 B 次级诱导 C 三级诱导null 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（paracrine factor）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常见的旁分泌因子及其信号转导通路null旁分泌因子在胚胎的不同发育阶段以及处于不同位置的胚胎细胞中的表达差异，提供了胚胎发育过程中的位置信息。位置信息（sonic hedgehog信号）在翅膀发育中的作用2.胚胎细胞间的相互作用还表现为细胞分化的抑制效应2.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。 侧向抑制：在具有相同分化命运的胚胎细胞中，如果一个细胞“试图”向某个特定方向分化，那么，这个细胞在启动分化指令的同时也发出另一个信号去抑制邻近细胞的分化，这种现象被称为侧向抑制（lateral inhibition）。见于脊椎动物的神经板细胞向神经前体细胞分化过程中。 三、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、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。 激素影响细胞分化与发育的典型例子是动物发育过程中的变态（metamorphosis）效应。 昆虫的变态发育受蜕皮激素的影响 两栖类的变态与甲状腺激素（T3,T4）有关null四、细胞分化的方向可因环境因素的 影响而改变细胞分化的方向可因环境影响而改变。 目前已了解到，物理的、化学的和生物性因素均可对细胞的分化与发育产生重要影响。 两栖类动物受精卵的背-腹轴决定，与重力有关； 在低等脊椎动物，性别决定与分化受环境因素的影响较大，如温度。 哺乳类动物（包括人类）B淋巴细胞的分化与发育则依赖于外来性抗原的刺激。 null第四节 细胞分化的医学意义一、细胞分化与肿瘤发生密切相关 二、细胞分化与再生过程密切相关null一、细胞分化与肿瘤发生密切相关1.肿瘤细胞是异常分化的细胞细胞分化观点认为分化障碍是肿瘤细胞的一个重要生物学特性。 肿瘤是由于正常基因功能受控于错误的表达程序所致。 恶性肿瘤是细胞分化和胚胎发育过程中的一种异常表现。肿瘤细胞主要表现出低分化和高增殖的特征。（一）肿瘤是细胞分化的异常表现null2.肿瘤细胞是丧失接触性抑制的“永生”细胞一般情况下，体外培养的大部分正常细胞需要粘附于固定的表面进行生长（依赖锚泊），增殖的细胞达到一定密度，汇合成单层以后即停止分裂，此过程称为接触抑制或密度依赖性抑制。 肿瘤细胞和转化细胞缺乏这种生长限制，不需要依附于固定表面，不受密度限制，可持续分裂，达到很高密度而出现堆积生长，形成高出单层细胞的细胞灶。（二）肿瘤细胞可能起源于一些未分化或微分化的干细胞（二）肿瘤细胞可能起源于一些未分化或微分化的干细胞 肿瘤细胞群体大致可分为四种类型： 干细胞：是肿瘤细胞群体的起源，具有无限分裂增殖及自我更新能力，维持整个群体的更新和生长； 过渡细胞：它由干细胞分化而来，具备有限分裂增殖能力，但丧失自我更新特征； 终末细胞：是分化成熟细胞，已彻底丧失分裂增殖能力； G0期细胞：是细胞群体中的后备细胞，有增殖潜能但不分裂，在一定条件下可以更新进入增殖周期。大量证据表明，肿瘤起源于一些未分化或微分化的干细胞，是由于组织更新时所产生的分化异常所致。（三）肿瘤细胞可被诱导分化为成熟细胞（三）肿瘤细胞可被诱导分化为成熟细胞 肿瘤细胞可以在高浓度的分化信号诱导下，增殖减慢，分化加强，走向正常的终末分化。这种诱导分化信号分子称为分化诱导剂。 分化诱导剂对肿瘤的这种促分化作用，称为分化诱导作用。 如：可利用维甲酸对肿瘤细胞的诱导分化作用治疗人急性早幼粒细胞白血病。null再生现象： 一些发育成熟的成年动物个体有再生（regeneration）现象，表现为动物的整体或器官受外界因素作用发生创伤而部分丢失时，在剩余部分的基础上又生长出与丢失部分在形态结构和功能上相同的组织或器官的过程。 机体在正常生理条件下由组织特异性成体干细胞完成的组织或细胞的更新，如血细胞的更新、上皮细胞的脱落和置换等，虽然与再生相似，但性质上有所不同。二、细胞分化与再生过程密切相关（一）多潜能未分化细胞的再发育是再生的一般规律（一）多潜能未分化细胞的再发育是再生的一般规律再生的本质：是成体动物为修复缺失组织器官的发育再活化，是多潜能未分化细胞的再发育。 再生的方式： 微变态再生：是两栖类动物再生肢体的主要方式 变形再生：见于水螅的再生 补偿性再生：是哺乳动物肝脏再生的方式null再生的过程：人们在两栖类有尾动物蝾螈的肢体再生上进行了较为深入的研究。 蝾螈肢体的再生主要包括以下几个过程： 顶端外胚层帽和去分化再生胚芽的形成 胚芽细胞的增生和再分化 再生胚芽的模式形成null蝾螈肢体的切除再生null找出激活曾经是人体器官形成的发育程序的方法： 其中一种方法是寻找相对未分化的多潜能干细胞。 另外一种方法是寻找能够允许这些细胞开始形成特定组织细胞的环境。（二）从对再生机制的认识到再生医学思考题思考题1.细胞转分化、去分化的条件和生物医学意义。 2.细胞决定的概念、机制及其与细胞分化的关系。 3.为什么说细胞分化的本质是基因组中不同基因的选择性表达。 4.细胞分化主导基因、组合基因调控及远距离调控在细胞分化中的作用。 5.染色质共价修饰的机制及其与细胞分化的关系。 6.非编码RNA的种类及其在细胞分化中的作用。 7.细胞分化的影响因素及其机制。 8.如何从细胞分化角度理解肿瘤的发生。 9.再生的机制和医学意义。 推荐阅读资料推荐阅读资料1．桂建芳, 易梅生. 发育生物学. 北京：科学出版社，2002 2. 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