細(xì)胞分化主要內(nèi)容

細(xì)胞分化

CellDifferentiation北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)系文錦華1主要內(nèi)容一、胚胎發(fā)育的普遍特征1、細(xì)胞分化的概念2、胚胎發(fā)育所依賴的細(xì)胞活動(dòng)3、細(xì)胞分化的基本特征二、細(xì)胞決定及其調(diào)節(jié)1、細(xì)胞分化潛能的決定2、細(xì)胞決定的調(diào)節(jié)3、細(xì)胞選擇決定的機(jī)制三、器官組織建成中細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)1、胚胎誘導(dǎo)對(duì)細(xì)胞分化的作用2、細(xì)胞間的相互作用對(duì)器官組織分化發(fā)育的影響3、激素對(duì)細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)四、細(xì)胞分化與動(dòng)物組織的維持1、干細(xì)胞的增殖與分化2、干細(xì)胞的類型3、干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)五、細(xì)胞分化的分子機(jī)制1、細(xì)胞分化與基因組變化2、細(xì)胞分化與特異性蛋白質(zhì)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)六、細(xì)胞分化與腫瘤2生物體(多個(gè)、多種細(xì)胞)受精卵(單細(xì)胞)細(xì)胞增殖細(xì)胞分化細(xì)胞數(shù)量增加形成不同類型細(xì)胞3

(一)細(xì)胞分化的概念一般概念細(xì)胞分化是指同一來源的細(xì)胞通過分裂逐漸產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和功能上穩(wěn)定性差異的過程；也就是一種類型的細(xì)胞在形態(tài)結(jié)構(gòu)、生化特性和生理機(jī)能等方面穩(wěn)定地轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪活愋图?xì)胞的過程。一、胚胎發(fā)育的普遍特征4

分子水平概念：細(xì)胞分化意味著機(jī)體內(nèi)不同類型的細(xì)胞中有不完全一致的基因活性，而表現(xiàn)為某些特異性蛋白質(zhì)的合成，即細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。例如:紅細(xì)胞---血紅蛋白漿細(xì)胞---抗體輸卵管細(xì)胞---卵清蛋白5細(xì)胞分化的指標(biāo)三大指標(biāo)：形態(tài)結(jié)構(gòu)、生化特性和生理機(jī)能成熟的紅細(xì)胞：中間凹陷、圓盤狀、無核產(chǎn)生血紅蛋白能攜帶氧和二氧化碳肌細(xì)胞：梭形產(chǎn)生收縮蛋白(肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白)能收縮6小腸上皮細(xì)胞紅細(xì)胞成纖維細(xì)胞不同類型細(xì)胞形態(tài)各異（掃描電鏡圖）7

(二)胚胎發(fā)育中的細(xì)胞活動(dòng)細(xì)胞增殖：增殖產(chǎn)生大量的胚胎細(xì)胞細(xì)胞特化：不同形態(tài)結(jié)構(gòu)，表達(dá)特異性性蛋白，具有特殊功能細(xì)胞間相互作用：誘導(dǎo)或抑制細(xì)胞的分化細(xì)胞運(yùn)動(dòng)：收縮，伸展，重排及遷移，構(gòu)成相應(yīng)的組織器官8幾種細(xì)胞活動(dòng)過程在胚胎不同部位常以多種方式相互協(xié)調(diào)地同時(shí)進(jìn)行。雖然各種動(dòng)物的原腸胚形態(tài)不同，但產(chǎn)生內(nèi)、中、外三胚層是許多動(dòng)物所共同的。在原腸胚形成中，細(xì)胞發(fā)生遷移運(yùn)動(dòng)是起主要特征。細(xì)胞分化進(jìn)入活躍時(shí)期。9哺乳動(dòng)物早期發(fā)育期間細(xì)胞分化的主要階段受精卵桑椹胚囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)上皮滋養(yǎng)層神經(jīng)溝外胚層中胚層脊索內(nèi)胚層三胚層胚胎1011(三) 細(xì)胞分化的基本特性1.細(xì)胞分化的穩(wěn)定性各種不同類型的細(xì)胞的分化特征在子代細(xì)胞中仍能繼續(xù)保持。當(dāng)初誘導(dǎo)祖先細(xì)胞分化的信號(hào)所起的作用在子代細(xì)胞中仍能保持其記錄。例如：肌細(xì)胞、紅細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等，其分化特性在子代細(xì)胞中仍能繼續(xù)保持。122.細(xì)胞分化調(diào)節(jié)的保守性不同動(dòng)物間的同源蛋白，特別是其中的基因調(diào)節(jié)蛋白，在結(jié)構(gòu)上，在功能即生化反應(yīng)上具有一定的相似性。若用實(shí)驗(yàn)方法人為地在不同動(dòng)物間進(jìn)行互換，仍能正確地執(zhí)行對(duì)細(xì)胞分化發(fā)育的調(diào)節(jié)。

例如：小鼠小腦發(fā)育的基因調(diào)控蛋白Engrailed-1與果蠅的同源蛋白Engrailed。13在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中雖經(jīng)過遺傳學(xué)修飾和進(jìn)化選擇，使各種動(dòng)物的細(xì)胞分化調(diào)節(jié)得到不斷完善與精確以適應(yīng)外界環(huán)境，但各種動(dòng)物間在細(xì)胞分化的基因調(diào)控上表現(xiàn)出一定的相似性，說明在動(dòng)物界細(xì)胞分化的基因調(diào)節(jié)上仍然存在進(jìn)化上的一定保守性。143.細(xì)胞分化調(diào)節(jié)的時(shí)空性特征

細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。具有時(shí)空特征。特異性基因是在體內(nèi)的一定部位和一定時(shí)間內(nèi)表達(dá)。由某種信號(hào)引發(fā)各種分化發(fā)育事件的協(xié)調(diào)作用，導(dǎo)致特異性基因的表達(dá)，最終形成各種類型的分化細(xì)胞。這種特異性基因在何種條件，由何種信號(hào)，通過何種途徑和方式被啟動(dòng)而實(shí)現(xiàn)表達(dá)，是研究細(xì)胞分化的核心問題。15胰腺的發(fā)育腸管形成Pdx-1-LacZknockinmouseb-gal染色胃，胰腺部分染色16受精卵桑椹期內(nèi)細(xì)胞團(tuán)滋養(yǎng)外胚層外胚層（神經(jīng)、表皮）中胚層（血細(xì)胞、肌肉、腎臟）內(nèi)胚層（消化道、肝臟、胰腺）原始生殖細(xì)胞胎盤ES細(xì)胞卵、精子（一）細(xì)胞決定二、細(xì)胞決定及其調(diào)節(jié)17

細(xì)胞決定的概念：在能識(shí)別一個(gè)細(xì)胞的分化以前，就有了一個(gè)預(yù)先保證細(xì)胞怎樣變化的時(shí)期，這一階段通稱為細(xì)胞決定（celldetermination).181、細(xì)胞分化的潛能與決定受精卵---在生物體發(fā)育的早期階段，所有細(xì)胞都有發(fā)育成不同組織或細(xì)胞類型的潛能(全能性，totipotency)囊胚(上皮滋養(yǎng)層+內(nèi)細(xì)胞團(tuán))原腸胚---三胚層形成后，隨著細(xì)胞空間關(guān)系和微環(huán)境的差異，各胚層細(xì)胞的發(fā)育去向已定。各器官的預(yù)定區(qū)逐漸出現(xiàn)，細(xì)胞分化的潛能進(jìn)一步局限化。此時(shí)的細(xì)胞具有演變成多種表型的能力，稱為多能性細(xì)胞(pluripotentcell)成體(專能穩(wěn)定型)---專能性細(xì)胞(unipotentcell)，單能性細(xì)胞(monopotentcell)19細(xì)胞決定(celldetermination)的分子概念某些基因永久性關(guān)閉，而另一些基因順序表達(dá)，使分化的潛能從全能向?qū)Ｄ苤饾u局限化的過程。此時(shí)的細(xì)胞雖然還沒有可分辨的分化特征，但已具備向某一特定方向分化的能力，并且這種能力是穩(wěn)定的、可遺傳的。決定是將特殊的使命賦予細(xì)胞，并使其進(jìn)入程序性分化的過程。20事實(shí)上，絕大多數(shù)胚胎細(xì)胞最初有過基因組等同階段。不久之后，雖然每一細(xì)胞均含有一套完整遺傳指令，但在每一特定類型的細(xì)胞中，只使用一小部分遺傳信息，每一類型細(xì)胞只表達(dá)一套特異蛋白質(zhì)。不同的細(xì)胞類型表達(dá)不同組的基因。21

決定分化細(xì)胞決定(設(shè)計(jì)分化程序)子細(xì)胞承襲母細(xì)胞的程序但未執(zhí)行基因組等同階段執(zhí)行程序進(jìn)行終末分化22從某種意義上講，細(xì)胞決定是發(fā)育潛能逐漸限制的過程，即選擇基因表達(dá)的過渡階段，此時(shí)細(xì)胞雖尚無可分辨的分化特征，但已具備了向某一特定方向分化的能力。例如：果蠅幼蟲期的成蟲盤。2、細(xì)胞決定的穩(wěn)定性和遺傳性23保幼激素高保幼激素低保幼激素高許多幼蟲組織被消化，供物、供能24

成蟲盤（器官芽，imaginaldisc)

成蟲盤是幼蟲體內(nèi)處于未分化狀態(tài)的細(xì)胞團(tuán)，變態(tài)后由成蟲盤產(chǎn)生成體不同的結(jié)構(gòu)；成蟲盤位于幼蟲體內(nèi)不同位置，是預(yù)先向某種特定類型分化的已決定的細(xì)胞團(tuán)。保幼激素可使成蟲盤細(xì)胞增殖，但抑制它們向成蟲細(xì)胞分化。2526

1967，Hadorn

果蠅成蟲盤細(xì)胞決定狀態(tài)的移植實(shí)驗(yàn)將成蟲盤移植到成體果蠅腹腔中，可以保持未分化狀態(tài)不斷增殖，甚至多次移植，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)9年，繁殖1800代。2728

通常，決定狀態(tài)很穩(wěn)定并且可遺傳，并保持許多代。 ------細(xì)胞遺傳（cellheredity)偶爾，被移植的成蟲盤不按已決定的分化類型，發(fā)育成另外的成蟲結(jié)構(gòu)。 ------轉(zhuǎn)決定（transdetermination)是遺傳性突變的結(jié)果。29受精卵每次卵裂時(shí)，細(xì)胞核內(nèi)的物質(zhì)包括基因組都平均分配到子細(xì)胞中，而細(xì)胞質(zhì)由于各區(qū)的組分并不相同，所以在子細(xì)胞中的分配并不均等。細(xì)胞質(zhì)的這種不均質(zhì)性，在一定程度上決定了細(xì)胞的早期分化。1、細(xì)胞質(zhì)在細(xì)胞決定中的影響（二）細(xì)胞決定的調(diào)節(jié)30細(xì)胞決定子(cytoplasmicdeterminant)：從受精卵的第一次卵裂開始，細(xì)胞核就受到內(nèi)環(huán)境(即不同的卵胞質(zhì)組分)的影響，這些特殊的卵胞質(zhì)組分稱為細(xì)胞決定子。決定子支配著細(xì)胞的分化途徑。例如：海鞘的黃色細(xì)胞質(zhì)區(qū)----中胚層、肌肉透明質(zhì)區(qū)----外胚層灰色胞質(zhì)區(qū)----內(nèi)胚層31胚胎在8細(xì)胞前細(xì)胞發(fā)育是全能性的。哺乳動(dòng)物胚胎早期細(xì)胞決定可能與細(xì)胞在胚胎內(nèi)所在位置有關(guān)。白鼠8細(xì)胞胚胎的卵裂球置于黑鼠4細(xì)胞胚期的卵裂球中央，使其形成嵌和體，培養(yǎng)到胚泡期時(shí)移植到假母子宮內(nèi)，子代表現(xiàn)為明顯的白色品系。說明：卵裂球的發(fā)育潛能是全能的。其發(fā)育的決定與它們?cè)谂咛ブ械奈恢糜嘘P(guān)。2、早期胚胎細(xì)胞決定與細(xì)胞位置的相關(guān)性32檢驗(yàn)“內(nèi)層-外層”假說的實(shí)驗(yàn)去除透明質(zhì)帶分離卵裂球卵裂球分裂移殖混合胚胎培養(yǎng)植入假母子宮333、哺乳類成肌細(xì)胞的決定肌細(xì)胞的分化經(jīng)歷三個(gè)階段：周圍組織發(fā)出的信號(hào)使體節(jié)中部分間充質(zhì)細(xì)胞獲得決定，成為成肌細(xì)胞；成肌細(xì)胞保持增殖能力，部分細(xì)胞遷移至肢芽，最后停止增殖，融合成多核的合胞體；多核細(xì)胞稱為肌管，最終分化為骨骼肌細(xì)胞。

從神經(jīng)管及側(cè)面外胚層周圍組織發(fā)出的特異性細(xì)胞外信號(hào)對(duì)體節(jié)中一部分細(xì)胞決定形成成肌細(xì)胞具有重要作用。這些蛋白質(zhì)都是轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，統(tǒng)稱為肌肉調(diào)節(jié)因子（muscleregulatoryfactors,MRFs）。34骨骼肌發(fā)育程序35胚胎發(fā)育中，在同一細(xì)胞群體中，即使所有的細(xì)胞均含有相同的基因組，卻會(huì)向不同的發(fā)育方向轉(zhuǎn)變，分化為不同的細(xì)胞類型。細(xì)胞如何選擇向不同發(fā)育方向的決定，即選擇決定是由什么機(jī)制所控制？（三）細(xì)胞選擇決定的機(jī)制361、細(xì)胞的不對(duì)稱分裂37細(xì)胞進(jìn)行不對(duì)稱分裂，使子細(xì)胞出現(xiàn)明顯差異，不均等分配使子細(xì)胞質(zhì)中含有不同的生物分子。這些分子作為決定子，直接或間接地改變基因表達(dá)，從而使子細(xì)胞獲得不同發(fā)育方向的決定，分化成不同的細(xì)胞類型。不對(duì)稱分裂的結(jié)果，產(chǎn)生一個(gè)干細(xì)胞和一個(gè)即將分化的祖細(xì)胞，祖細(xì)胞的分化潛能相對(duì)于干細(xì)胞受到明顯的限制。382、細(xì)胞間相互作用產(chǎn)生的側(cè)向抑制使細(xì)胞間產(chǎn)生差異而發(fā)育為不同類型細(xì)胞的最普遍途徑是細(xì)胞接受不同環(huán)境的刺激。在胚胎發(fā)育中主要表現(xiàn)為從相鄰細(xì)胞發(fā)出的信號(hào)。在一群相同的細(xì)胞中，每個(gè)細(xì)胞均具有獲得決定向某一特定類型細(xì)胞分化的可能，每個(gè)細(xì)胞均發(fā)出抑制信號(hào)影響周圍相鄰細(xì)胞，使彼此處于競(jìng)爭(zhēng)的態(tài)勢(shì)。優(yōu)勢(shì)細(xì)胞發(fā)出更強(qiáng)的抑制信號(hào)。結(jié)果是優(yōu)勢(shì)細(xì)胞最終獲得決定向特定類型的細(xì)胞分化。這就是細(xì)胞間側(cè)向抑制作用的結(jié)果。39側(cè)向抑制與細(xì)胞分化每個(gè)細(xì)胞均向相鄰細(xì)胞發(fā)送抑制信號(hào)中央細(xì)胞在競(jìng)爭(zhēng)中獲優(yōu)勢(shì)向相鄰細(xì)胞發(fā)送更強(qiáng)抑制信號(hào)中央細(xì)胞獲決定向某一方向分化403、細(xì)胞間相互作用與不對(duì)稱分裂相結(jié)合調(diào)控細(xì)胞決定

不對(duì)稱分裂與細(xì)胞間的相互作用，同時(shí)參與對(duì)細(xì)胞決定的調(diào)控。例：線蟲受精卵的胚胎發(fā)育果蠅的感覺母細(xì)胞發(fā)育為感覺鬃（一種機(jī)械感覺器官）。圖：線蟲早期胚胎通過不同信號(hào)通路的調(diào)節(jié)確定細(xì)胞的不同特征411、胚胎誘導(dǎo)(分化誘導(dǎo))胚胎誘導(dǎo)(embryonicinduction)：在動(dòng)物胚胎發(fā)育過程中，各胚層之間能相互促進(jìn)細(xì)胞分化和組織器官發(fā)生，此現(xiàn)象稱為胚胎誘導(dǎo)。這種作用一般發(fā)生在中胚層與內(nèi)胚層、中胚層與外胚層之間。能對(duì)其它細(xì)胞起誘導(dǎo)作用的細(xì)胞稱為誘導(dǎo)者(inductor)或組織者(organizer)。（一）胚胎誘導(dǎo)對(duì)細(xì)胞分化的作用三、器官組織建成中細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)421920~1940年，Spemann和他的學(xué)生用兩棲動(dòng)物進(jìn)行了發(fā)育生物學(xué)歷史上著名的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果提示了胚胎誘導(dǎo)的存在。1924年，發(fā)表了論文，1935年因該發(fā)現(xiàn)而獲Nobel獎(jiǎng)。從青蛙囊胚中取一塊未來的腹部表皮移植到蠑螈未來的口腔區(qū)。這塊蛙組織整合到宿主口腔區(qū)并形成口腔組織。但是，它具有遺傳潛力形成蛙的嘴?？梢?，位置信息不是物種特異的，但是，細(xì)胞接受的位置信息只能按照該細(xì)胞的遺傳編程來解譯。43Spemann的兩棲動(dòng)物經(jīng)典移植實(shí)驗(yàn)蠑螈蠑螈囊胚蛙蛙囊胚有蛙嘴的蠑螈44

胚胎誘導(dǎo)可分為三級(jí)：初級(jí)誘導(dǎo)、次級(jí)誘導(dǎo)和三級(jí)誘導(dǎo)(Spemann發(fā)現(xiàn))。脊索中胚層誘導(dǎo)其表面覆蓋的外胚層發(fā)育呈神經(jīng)板---初級(jí)誘導(dǎo)；神經(jīng)板卷成神經(jīng)管后，前端膨大成原腦，其兩側(cè)突出的視杯再誘導(dǎo)視杯上方的外胚層形成晶狀體---次級(jí)誘導(dǎo)；晶狀體再誘導(dǎo)其表面的外胚層形成角膜---三級(jí)誘導(dǎo)。45表面覆蓋的外胚層脊索中胚層誘導(dǎo)(初級(jí)誘導(dǎo))神經(jīng)板卷成神經(jīng)管前端膨大原腦視杯上方的外胚層原腦兩側(cè)突出的視杯誘導(dǎo)(次級(jí)誘導(dǎo))晶狀體角膜(三級(jí)誘導(dǎo))46 最初，由Spemann檢測(cè)到視小泡誘導(dǎo)晶狀體表皮幫助完成眼的形成。 晶狀體基板形成后，晶狀體接著誘導(dǎo)其上方的表皮形成角膜來增補(bǔ)眼的視學(xué)裝置。47脊椎動(dòng)物胚胎頭部橫切面示意圖485～6天胚齡雞胚眼部結(jié)構(gòu)電鏡掃描圖492、胚胎誘導(dǎo)的可能機(jī)制信號(hào)濃度梯度對(duì)細(xì)胞誘導(dǎo)分化的作用細(xì)胞耦聯(lián)受體對(duì)信號(hào)分子的識(shí)別能力靶基因上游的不同調(diào)控區(qū)對(duì)信號(hào)作出不同的反應(yīng)50在胚胎誘導(dǎo)中，受體細(xì)胞對(duì)信號(hào)必須有反應(yīng)能力。這種能力的獲得意味著誘導(dǎo)信號(hào)的受體已經(jīng)產(chǎn)生并已發(fā)揮其作用。51分化抑制：已分化好的細(xì)胞可產(chǎn)生某種物質(zhì)，這種物質(zhì)可抑制鄰近細(xì)胞進(jìn)行同樣的分化，這種作用稱為分化抑制。具有抑制作用的化學(xué)物質(zhì)稱為抑素。例如：3、分化抑制正常發(fā)育的蛙胚含成體蛙心組織的培養(yǎng)液中無成體蛙心組織的培養(yǎng)液中蛙胚不能正常發(fā)育蛙胚正常發(fā)育52（二）細(xì)胞間相互作用對(duì)器官組織分化發(fā)育的影響細(xì)胞間相互作用包括單向和雙向相互作用，單向是指一個(gè)細(xì)胞或一個(gè)細(xì)胞群體向不同的鄰近細(xì)胞發(fā)出信號(hào)（信號(hào)細(xì)胞)，由接受信號(hào)的細(xì)胞（反應(yīng)細(xì)胞）作出反應(yīng)，以不同模式進(jìn)行分化發(fā)育。然而更多的是雙相相互作用，相互誘導(dǎo)，許多內(nèi)部器官的發(fā)育是通過這種方式進(jìn)行的。531、上皮細(xì)胞-間充質(zhì)細(xì)胞間相互作用對(duì)肺發(fā)育的調(diào)節(jié)對(duì)肺的發(fā)育而言，最重要的是在靠近上皮芽頂端的間充質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)FGF10，其受體在上皮芽細(xì)胞中表達(dá)。FGF10信號(hào)的作用是引導(dǎo)上皮芽生長(zhǎng)的方向，上皮向間充質(zhì)侵入，不斷生長(zhǎng)出芽。上皮芽侵入間充質(zhì)并重復(fù)分支，還依賴于從芽頂上皮細(xì)胞向間充質(zhì)細(xì)胞發(fā)送的SHh信號(hào)。SHh信號(hào)暫時(shí)阻斷正對(duì)著生長(zhǎng)中的上皮芽頂端的間充質(zhì)細(xì)胞中FGF10的表達(dá)，而且將其分成兩部分，形成兩個(gè)分開的突出的間充質(zhì)細(xì)胞團(tuán)，作為新的生長(zhǎng)方向的信標(biāo)發(fā)送FGF10，引導(dǎo)上皮芽頂端向兩種不同的方向突出生長(zhǎng)，如此反復(fù)使上皮芽生長(zhǎng)分支，最終形成支氣管樹狀分支系統(tǒng)。54肺分支的形態(tài)發(fā)生552、基膜對(duì)上皮細(xì)胞分化的作用許多動(dòng)物組織中的上皮細(xì)胞與間充質(zhì)細(xì)胞間隔著一層由層粘連蛋白、膠原蛋白、巢蛋白及蛋白聚糖等細(xì)胞外基質(zhì)成分組成的基膜，通過在上皮細(xì)胞上的一跨膜蛋白—整合素與基膜中的一些組分的結(jié)合，將上皮細(xì)胞粘附在細(xì)胞外基質(zhì)上，基膜通過膠原蛋白和纖粘連蛋白等細(xì)胞外基質(zhì)與間充質(zhì)細(xì)胞連接。

許多上皮細(xì)胞的分化依賴于基膜介導(dǎo)的細(xì)胞間相互作用。56來自內(nèi)胚層的細(xì)胞基膜用膠原酶和透明質(zhì)酸酶處理，除去基膜培養(yǎng)立即加入間充質(zhì)不生長(zhǎng)基膜再生加入間充質(zhì)不存在間充質(zhì)基膜在唾腺分化中的作用573、側(cè)向相互（側(cè)向抑制）作用對(duì)細(xì)胞分化的影響

側(cè)向相互作用主要在相同細(xì)胞間進(jìn)行，使兩個(gè)相同的細(xì)胞選擇不同的分化方向，分化為不同的細(xì)胞。是通過高度保守的Notch信號(hào)通路介導(dǎo)的。

58（三）激素對(duì)細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)激素的調(diào)節(jié)作用出現(xiàn)于胚胎發(fā)育的晚期，此時(shí)，細(xì)胞決定已經(jīng)發(fā)生，所以激素引起的反應(yīng)是按細(xì)胞預(yù)定的分化程序進(jìn)行的。這種作用是遠(yuǎn)距離的相互作用，必須通過受體起作用，激素帶著特定的生物信息到達(dá)靶細(xì)胞，促進(jìn)靶細(xì)胞的發(fā)育和分化。59例如：兩棲類動(dòng)物的腦垂體成體

↓分泌 ↑

促甲狀腺素

肢芽生長(zhǎng)、分化↓促進(jìn) ↑甲狀腺細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化

變態(tài)，蝌蚪退化↓分泌 ↑甲狀腺素→→→→→→→組織(甲狀腺素受體)60四、細(xì)胞分化與動(dòng)物組織的維持成體動(dòng)物中，許多組織細(xì)胞如皮膚、血液和小腸上皮細(xì)胞的壽命都很短，需要不斷被相應(yīng)的新細(xì)胞替換。成體產(chǎn)生新的分化細(xì)胞有兩種方式：通過已存在的分化細(xì)胞的簡(jiǎn)單倍增形成新的分化細(xì)胞，即分化細(xì)胞經(jīng)分裂形成相同類型的兩個(gè)子代細(xì)胞；由未分化的干細(xì)胞產(chǎn)生。6162(一) 干細(xì)胞(stemcell)的增殖與分化干細(xì)胞的概念干細(xì)胞：具有自我復(fù)制和多潛能分化能力的細(xì)胞。成體的許多組織中都保留有一部分未分化的細(xì)胞，一旦需要，這些細(xì)胞便可按發(fā)育途徑，先分裂后分化產(chǎn)生分化細(xì)胞。機(jī)體中這部分未分化的細(xì)胞稱為干細(xì)胞。意義：細(xì)胞在分化過程中，由于高度分化而失去了再分裂的能力，最終衰老死亡。機(jī)體在發(fā)展適應(yīng)過程中為了彌補(bǔ)這一不足，保留了一部分未分化的原始細(xì)胞，即干細(xì)胞。63

2、干細(xì)胞的特點(diǎn)(1)干細(xì)胞是已決定、未分化的細(xì)胞，不是終末分化細(xì)胞---干細(xì)胞不是處于分化途徑的終端，但其發(fā)育潛能已被限定；(2)干細(xì)胞能不斷地分裂---永生干細(xì)胞，每次分裂時(shí)，其子代中始終有一個(gè)細(xì)胞仍保持干細(xì)胞的分裂特征，維持自身數(shù)量和功能的穩(wěn)定；(3)干細(xì)胞分裂產(chǎn)生的子細(xì)胞只能在兩種途徑中選擇其一：保持親代特征仍作為干細(xì)胞或向終末分化。64哺乳動(dòng)物表皮剖面圖角蛋白角質(zhì)化細(xì)胞顆粒細(xì)胞棘細(xì)胞基底細(xì)胞基膜真皮核解體遷移細(xì)胞干細(xì)胞分裂中的干細(xì)胞表皮層外界65干細(xì)胞有絲分裂終末分化細(xì)胞干細(xì)胞分裂產(chǎn)生的子細(xì)胞的兩條選擇途徑分化子細(xì)胞自我復(fù)制Self-renewal66

3、干細(xì)胞增殖與分化的機(jī)理不均等分裂假說：在干細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，調(diào)節(jié)分化的蛋白質(zhì)分布不均勻；通過細(xì)胞分裂，使調(diào)節(jié)分化的蛋白質(zhì)分配到兩個(gè)子細(xì)胞中；獲得調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)較多的子細(xì)胞分化為功能專一的細(xì)胞，而另一個(gè)細(xì)胞仍保持干細(xì)胞的分裂特征。67不均等分裂假說示意圖細(xì)胞質(zhì)的不均勻分布特化細(xì)胞非特化細(xì)胞有絲分裂期調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)中凝聚但分布不均勻一個(gè)子細(xì)胞獲得促進(jìn)特化的調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)6869干細(xì)胞的增殖與分化的機(jī)理仍然目前研究的熱點(diǎn)課題70(二) 干細(xì)胞的類型

按分化潛能大小，可分為：全能干細(xì)胞（totipotency)：細(xì)胞可以發(fā)育成為一個(gè)完整的個(gè)體。多能干細(xì)胞（pluripotency)：可以分化成為構(gòu)成身體的三個(gè)胚層中的至少一種類型的細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞具有與早期胚胎細(xì)胞相似的形態(tài)特征和很強(qiáng)的分化能力，可不斷增殖并分化成為全身200多種細(xì)胞類型，可進(jìn)一步形成機(jī)體的任何組織或器官。多能干細(xì)胞（multipotency)：可以分化發(fā)育成為相同胚層中的不同種細(xì)胞類型的能力。特指某一系統(tǒng)的干細(xì)胞。又稱定向干細(xì)胞，定向干細(xì)胞是各系的母細(xì)胞，它再分化產(chǎn)生分化細(xì)胞。多能干細(xì)胞最終可分化產(chǎn)生兩種以上類型的細(xì)胞。專能干細(xì)胞（oligopotency

）：分裂產(chǎn)生的子細(xì)胞只能分化為單一類型的細(xì)胞。如，精原細(xì)胞→精子。7172定向干細(xì)胞的特點(diǎn)定向干細(xì)胞已有所分化，失去多向分化的能力，只能向相關(guān)的兩系或幾系細(xì)胞分化；增殖能力不是無限的，只能分裂若干次；在定向干細(xì)胞上具有對(duì)某種調(diào)節(jié)因子起反應(yīng)的結(jié)構(gòu)。如，原紅細(xì)胞上具有促紅細(xì)胞生成素受體，在促紅細(xì)胞生成素的作用下可分化成紅細(xì)胞。73造血干細(xì)胞分化示意圖造血干細(xì)胞(多向性)原紅細(xì)胞(定向性)粒系巨噬定向干細(xì)胞原巨核細(xì)胞(定向性)淋巴母細(xì)胞網(wǎng)織紅細(xì)胞紅細(xì)胞原單核細(xì)胞單核細(xì)胞巨噬細(xì)胞原粒細(xì)胞粒細(xì)胞(中性、嗜堿、嗜酸性)巨核細(xì)胞血小板淋巴細(xì)胞74

γ/x(致死) 宿主小鼠 骨髓細(xì)胞

2weeks

供體小鼠(健康) 血液中出現(xiàn)供體血細(xì)胞

脾結(jié)節(jié)

顯微鏡下 紅系 粒系-單核系 巨核系

75再生障礙性貧血---骨髓中紅細(xì)胞生成作用明顯降低，可能是由于毒物、放射性輻射等因素引起干細(xì)胞增殖障礙。多能造血干細(xì)胞只占骨髓中總細(xì)胞的0.01%。76胚胎干細(xì)胞按來源，可分為：77成體干細(xì)胞造血干細(xì)胞間充質(zhì)干細(xì)胞紅細(xì)胞白細(xì)胞肥大細(xì)胞纖維細(xì)胞脂肪細(xì)胞78

利用多能或?qū)Ｄ芨杉?xì)胞培育人體細(xì)胞和組織的研究已經(jīng)取得了一定成果，但利用前景更廣闊的，還是分化能力最強(qiáng)的全能干細(xì)胞。（三）干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)79成體干細(xì)胞參與組織修復(fù)與再生80細(xì)胞移植與組織修復(fù)與再生81受精卵在分裂早期、尚未植入子宮以前，囊胚內(nèi)部的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)便是具有全部分化能力的胚胎干細(xì)胞集合。如果能將它們?nèi)〕?，制成?xì)胞懸液，在體外進(jìn)行培養(yǎng)，就可通過改變體外培養(yǎng)條件來探索胚胎干細(xì)胞向不同組織細(xì)胞分化的規(guī)律，對(duì)揭開人體的個(gè)體發(fā)育之迷具有及其重要的理論意義。如果能夠源源不斷地獲得胚胎干細(xì)胞，就可以在體外誘導(dǎo)產(chǎn)生不同的組織細(xì)胞甚至器官供移植用，因而在臨床實(shí)踐上也有廣闊的應(yīng)用前景。8283

在體細(xì)胞克隆技術(shù)出現(xiàn)之前，科學(xué)家只能通過流產(chǎn)、死產(chǎn)或人工受精的人類胚胎獲取干細(xì)胞進(jìn)行研究?？寺⊙蚨嗬膯柺?，意味著人們可以通過體細(xì)胞克隆出人類胚胎，這將使獲取干細(xì)胞更為容易。從患者身上取下體細(xì)胞進(jìn)行克隆，使其發(fā)育形成的囊胚，6至7天，從中提取干細(xì)胞，培育出遺傳特征與病人完全吻合的細(xì)胞、組織或器官，如果向提供細(xì)胞的病人移植這些組織器官，這就是所謂的“治療性克隆”。如果這種研究獲得成功，病人將可以輕易地獲得與自己完全合適的移植器官，不會(huì)產(chǎn)生排異反應(yīng)。84

克隆人與倫理道德85868788(一)細(xì)胞分化與基因組變化：按與細(xì)胞分化的關(guān)系將基因分為兩類：1、管家基因(housekeepinggene)：為維持各種細(xì)胞基本活動(dòng)所必需的結(jié)構(gòu)和功能蛋白質(zhì)編碼的基因。這類基因是各種細(xì)胞所共有的，例如，為與細(xì)胞分裂和能量代謝有關(guān)的各種蛋白質(zhì)編碼的基因。2、奢侈基因(luxurygene)：編碼細(xì)胞特異性蛋白質(zhì)編碼，對(duì)細(xì)胞的生存無直接影響，但對(duì)細(xì)胞分化起重要作用。是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。例如，紅細(xì)胞的血紅蛋白基因。五、細(xì)胞分化的分子機(jī)制89有人曾提出，受精卵分裂產(chǎn)生的兩部分分裂球是不相等的，由于某些基因丟失不能表達(dá)而形成不同類型的分化細(xì)胞。實(shí)驗(yàn)證明：細(xì)胞核經(jīng)染色，測(cè)定其DNA含量都是恒定的；胚胎細(xì)胞DNA與成體細(xì)胞DNA進(jìn)行雜交，證明分化細(xì)胞中仍然保留整套染色體組的全部基因。90基因的差次表達(dá)(differentialexpression)或順序表達(dá)(sequentialexpression)：在個(gè)體發(fā)育過程中，基因按一定程序相繼活化的現(xiàn)象。在研究發(fā)育和分化時(shí)，常以特異性蛋白質(zhì)的合成及其變化作為觀察基因表達(dá)變化的一種標(biāo)志。胚胎細(xì)胞(全能、多能)攜帶的遺傳信息在發(fā)育過程中并不都能表達(dá)，而是按嚴(yán)格的時(shí)空順序，有選擇地表達(dá)其中一部分。9192

分化細(xì)胞90%以上的基因被抑制，有選擇地表達(dá)特異基因。DNA/RNA分子雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 基因組轉(zhuǎn)錄百分率(%)細(xì)菌 40~50變形蟲 28果蠅(胚胎) 15雞(肝) 15小鼠(肝、腎、胰) 4~5人(肝、腎、胰及Hela細(xì)胞) 4~5降低93分化細(xì)胞的全能性(totipotency)分化細(xì)胞保留著全部的核基因組，它具有生物個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育所需要的全部遺傳信息，能表達(dá)本身基因庫(kù)中的任何一種基因，分化細(xì)胞具有發(fā)育為完整個(gè)體的潛能，即全能性。經(jīng)典證據(jù)(1)非洲爪蟾的核移植實(shí)驗(yàn)(1968年Gurdon等)。最初，并沒有計(jì)劃克隆動(dòng)物，而是想檢測(cè)細(xì)胞核在發(fā)育過程中是否仍保持全能性，或遺傳信息是否不可逆地丟失或滅活。 94非洲爪蟾的核移植實(shí)驗(yàn)95

(2)DNA雜交實(shí)驗(yàn)---所有二倍體細(xì)胞中的DNA含量恒定，遺傳信息的穩(wěn)定性說明細(xì)胞分化不是由于染色體或基因丟失造成的(RBC無核；馬蛔蟲所有體細(xì)胞染色體丟失；爪蟾卵母細(xì)胞卵子成熟期基因擴(kuò)增均為個(gè)別現(xiàn)象)。(3)克隆羊?qū)嶒?yàn)(1996年，英國(guó)愛丁堡Roslin研究所Wilmut等，6歲成年綿羊的乳腺上皮細(xì)胞)96轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控細(xì)胞分化基因表達(dá)的調(diào)控97

基因組到底編碼些什么呢？基因組含有如何制造特異性蛋白質(zhì)、rRNA和tRNA，及調(diào)控DNA自我復(fù)制的信息。基因組包含一些層次化的組織：主導(dǎo)基因(mastergene)通過它們的產(chǎn)物(屬轉(zhuǎn)錄因子)支配整套的從屬基因?；蚪M含有時(shí)空程序元件，以控制基因的表達(dá)順序。98

主導(dǎo)基因也叫選擇基因(selectorgene)它控制了次級(jí)基因的開啟。為了確定一個(gè)分化程序，必須激活一套特異的基因，選擇基因的功能就是選擇和控制一套確定細(xì)胞類型和區(qū)域特異性發(fā)育的基因。因此，選擇基因的活性是啟始選擇、實(shí)現(xiàn)選擇及進(jìn)一步保持特定分化狀態(tài)的關(guān)鍵。99主導(dǎo)基因亦叫選擇基因它控制了次級(jí)基因的開啟。為了確定一個(gè)分化程序，必須激活一套特異的基因選擇基因的功能就是選擇和控制一套確定細(xì)胞類型和區(qū)域特異性發(fā)育的基因；選擇基因的活性是啟始選擇、實(shí)現(xiàn)選擇及進(jìn)一步保持特定分化狀態(tài)的關(guān)鍵。100DNA(二倍體細(xì)胞DNA含量恒定，分化細(xì)胞的全能性)轉(zhuǎn)錄primaryRNA(原初轉(zhuǎn)錄體)剪接mRNA穿過核膜翻譯降解蛋白質(zhì)101

雜交實(shí)驗(yàn)---檢測(cè)primaryRNA是否具有組織特異性，若有，則說明轉(zhuǎn)錄水平可調(diào)控。從肝細(xì)胞cDNA文庫(kù)中任選15個(gè)克隆(每個(gè)克隆含一個(gè)基因)，分別提取肝、腎和腦的primaryRNA，檢測(cè)其是否與這15個(gè)克隆雜交。結(jié)果：肝primaryRNA與15個(gè)克隆均雜交；腎、腦primaryRNA僅與3個(gè)克隆雜交[說明]：肝細(xì)胞產(chǎn)生了特異的primaryRNA---基因轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控分化102(二)細(xì)胞分化與特異性蛋白質(zhì)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)1、特異性蛋白質(zhì)基因表達(dá)的發(fā)育階段特征許多特異性蛋白質(zhì)基因在發(fā)育過程中表現(xiàn)出時(shí)空順序表達(dá)及組織特異性和發(fā)育階段專一性特征。典型的例證是珠蛋白基因（globingene）。所有的脊椎動(dòng)物珠蛋白是由４條肽鏈形成的四聚體。成體動(dòng)物中有兩對(duì)，一對(duì)是鏈，一對(duì)是鏈，即22但在胚胎發(fā)育前后共產(chǎn)生５種樣(-like)肽鏈，即,,A

,G,及，分別由相應(yīng)的結(jié)構(gòu)基因編碼。樣珠蛋白基因?qū)嶋H是一個(gè)基因家族。其氨基酸序列基本相同，但有10-20%的差別。103隨著胚胎發(fā)育，珠蛋白四聚體出現(xiàn)的情況有所不同，胚胎型珠蛋白基因首先在胚胎卵黃囊血島中表達(dá)，隨后，珠蛋白基因關(guān)閉。主要由胎兒型珠蛋白基因在胎兒肝臟中表達(dá)，到胎兒出生前后，珠蛋白基因表達(dá)逐漸下降。同時(shí)，成年型珠蛋白基因表達(dá)逐漸升高。在哺乳動(dòng)物早期胚胎中四聚體的組成為22，隨著胚胎發(fā)育改變?yōu)?2,正常成人的血液中還含有少量由22,組成的珠蛋白A2。104相對(duì)珠蛋白合成（%總量）出生年齡/周人出生前后紅細(xì)胞樣珠蛋白基因表達(dá)的變化105人樣珠蛋白基因家族結(jié)構(gòu)圖106人類樣珠蛋白基因家族定位于11號(hào)染色體段臂上，主要由5個(gè)結(jié)構(gòu)基因組成,,G,A,和基因按5-3方向依次排列，全長(zhǎng)約60kb,每種珠蛋白結(jié)構(gòu)基因均含有3個(gè)外顯子和2個(gè)內(nèi)含子。在珠蛋白基因調(diào)控區(qū)有一段DNA序列，稱為座位控制區(qū)域（Locuscontrolregion,LCR）。不同的哺乳動(dòng)物的LCR有很強(qiáng)的同源性，說明在進(jìn)化過程中,LCR可能來源于同一祖先，且穩(wěn)定地存在于紅系組織中，是紅系組織專一的，對(duì)樣珠蛋白基因轉(zhuǎn)錄具有重要的調(diào)節(jié)作用。若LCR突變或缺失，甚至部分缺失，就會(huì)導(dǎo)致各種貧血癥。107

不同珠蛋白基因在染色體上排列的位置對(duì)保持發(fā)育階段的順序性表達(dá)至關(guān)重要。不同珠蛋白基因的位置與LCR相對(duì)距離的差異，可能影響不同珠蛋白基因與LCR相互作用的頻率，從而使近距離珠蛋白基因優(yōu)先表達(dá)，遠(yuǎn)距離的則在較后階段被激活。但這種推測(cè)尚有待進(jìn)一步證實(shí)。108２、組合調(diào)控對(duì)特異性蛋白質(zhì)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)

組合調(diào)控（Combinatorialcontrol）是指一組基因調(diào)節(jié)蛋白共同協(xié)調(diào)地決定對(duì)某一基因表達(dá)的調(diào)節(jié)方式。許多真核基因的調(diào)控區(qū)中含有正調(diào)及負(fù)調(diào)的基因調(diào)節(jié)蛋白的結(jié)合位點(diǎn)，通過這些結(jié)合位點(diǎn)，基因調(diào)節(jié)蛋白與不同的基因順式調(diào)控元件發(fā)生相互作用，通過基因調(diào)節(jié)蛋白間某種特殊的協(xié)調(diào)作用刺激或阻抑異性蛋白基因的表達(dá)。

109人樣珠蛋白基因表達(dá)的調(diào)控模式110

珠蛋白基因即受到組合調(diào)控的調(diào)節(jié)，這里顯示紅細(xì)胞發(fā)育過程中一些基因調(diào)節(jié)蛋白對(duì)珠蛋白基因表達(dá)的調(diào)控模式。其中CP1存在于多種細(xì)胞類型中都存在，而GATA-1特異性存在于紅細(xì)胞的前體細(xì)胞中。當(dāng)GATA-1在這些位點(diǎn)結(jié)合后，便排斥其它蛋白的結(jié)合。GATA-1在珠蛋白基因表達(dá)的紅細(xì)胞特異性方面具有非常重要的作用。在引發(fā)細(xì)胞分化的各種調(diào)節(jié)蛋白組合中，往往只有一兩種調(diào)節(jié)蛋白起決定作用。111在組合調(diào)控中某種調(diào)節(jié)蛋白之所以具有決定性作用，就在于這種蛋白質(zhì)可使不同的調(diào)節(jié)蛋白形成某種特殊的組合，而這種組合是某種細(xì)胞類型的基因特異性表達(dá)所必需的。這種起決定性作用的某種基因調(diào)節(jié)蛋白就有可能啟動(dòng)整個(gè)細(xì)胞分化過程。例：MyoD基因，在肌細(xì)胞分化中具有關(guān)鍵作用。112說明：

成纖維細(xì)胞中積累了其它必需的基因調(diào)控蛋白，一旦加入MyoD蛋白后，便能完成特異的基因調(diào)節(jié)蛋白組合，從而啟動(dòng)肌細(xì)胞的分化。在此種組合調(diào)控中，MyoD成為一種起決定作用的基因調(diào)節(jié)蛋白