細胞生物學課件：第15章 細胞分化與胚胎發(fā)育

細胞分化與胚胎發(fā)育第15章細胞分裂細胞生長(分化)細胞死亡分裂原DNA損傷生長因子缺乏死亡因子的存在生長因子細胞分裂、細胞生長和細胞死亡決定生物個體大小細胞數(shù)量細胞體積(大小)生物個體細胞分化：由一種相同的細胞類型經(jīng)分裂后逐漸在形態(tài)、結構和功能上形成穩(wěn)定性差異，產(chǎn)生不同的細胞類群的過程。第一節(jié)、細胞分化一、細胞分化的基本概念（一）細胞分化是基因選擇性表達的結果細胞分化的關鍵在于:特定的時間、不同的細胞中表達了不同的基因，導致不同類型細胞中特異性蛋白質的合成。（二）管家基因和組織特異性基因管家基因：所有細胞中均表達的基因，其產(chǎn)物是維持細胞基本生命活動所必需的，如細胞基礎代謝活動所需的酶類、核糖體蛋白、膜轉運蛋白、細胞周期調控蛋白等。占基因總數(shù)的少部分（<3%）。組織特異性基因：不同類型細胞中特異性表達的基因，賦予細胞特異的形態(tài)結構和功能。調控并參與細胞分化、組織與器官的構建等。占基因總數(shù)的絕大多數(shù)。MyoD、Ey/Pax6等主導基因(Mastergene)(關鍵性調控蛋白）誘導的蛋白+已存在的蛋白

(combinatorialcode)特異性結構和功能蛋白的產(chǎn)生組織、器官的形成（三）組合調控(combinatorialcontrol)三種調控蛋白可以產(chǎn)生八種不同類型的細胞（四）單細胞有機體的細胞分化原核單細胞生物：枯草桿菌–芽孢；魚腥藻–營養(yǎng)體細胞、固氮的異形胞。真核單細胞生物：芽殖酵母–二倍體(a/a)、單倍體孢子a和a；黏菌–二倍體營養(yǎng)體、單倍體孢子為多細胞的假原質團。黏菌繁殖過程-為適應外界的生活環(huán)境所作的改變轉分化：一種類型的分化細胞轉變成另一種類型的分化細胞的現(xiàn)象。如低等動物肢體、眼晶體的再生，和植物的整體再生。（五）轉分化(transdifferentiation)和再生(regeneration)去分化：分化的細胞失去特有的結構與功能特征，變成具有未分化細胞特征的過程。如分化的植物體細胞在一定條件下形成未分化愈傷組織。去分化再分化再生

(regeneration)：生物體失去部分結構后重建的過程，多數(shù)情況下包括去分化和再分化。

不同生物的再生能力差異巨大，與細胞分化狀態(tài)的可塑性和干細胞的存在有關。二、細胞的全能性與多能干細胞胚胎干細胞成體干細胞祖細胞或前體細胞干細胞unlimitedself-renewallimitedself-renewal祖細胞或共同祖細胞Totipotentcells:canproducealltypesofcells(embryonicandextraembryonic).Pluripotentcells:canproducecellsofallthreegermlayersbutnotextraembryoinccells.Multipotentcells:canproduceonlyacloselyrelatedfamilyofcells(e.g.hematopoieticstemcells).Unipotentcellscanproduceonlyonecelltype.totipotent（全能性）pluripotent（多能性）multipotent（多能性）受精卵2細胞桑椹胚(8cells)囊胚桑椹胚(16cells)unipotent（單能性）全能性多能性單能性造血干細胞(multipotent)unipotent胚胎干細胞系的建立干細胞的用途：1。供研究，2。供治療–免疫排斥？誘導分化產(chǎn)生的胰島b細胞的移植細胞核的全能性、核移植和重編程(reprogramming)：動物克隆與再生醫(yī)學動物克隆iPS(inducedpluripotentstemcell)細胞系的建立iPS細胞的意義：高等動物高度分化的細胞也可以去分化；可能解決自身干細胞來源的問題。

受精卵細胞質的不均一性：隱蔽mRNA不均一地分配到子細胞中，導致determination

細胞記憶：determination影響染色質結構變化和positivefeedbackloop,產(chǎn)生記憶內在調節(jié)蛋白組合MastergeneCombinatorialcode↓(轉錄因子)分化外界

細胞間作用和位置效應:Sonichedgehoggradient (paracrine)

胞外信號:FGF,TGF,Wnt,BMP,Notch,hormone等 (embryonicinduction)三、影響細胞分化的因素胞外信號分子對細胞分化的影響細胞間相互作用與位置效應第二節(jié)、胚胎發(fā)育中的細胞分化一、生殖細胞的分化（一）哺乳動物的性別分化-性別的分化決定于性腺的分化，-性腺的分化決定于Y染色體，-Y染色體上存在TDF(testis-determiningfactor),

從(46，XX)男性的X染色體上發(fā)現(xiàn)SRY(sex-determiningregionofY)=TDF1。SRY的發(fā)現(xiàn)

生殖細胞的前體–原生殖細胞是由體細胞形成的，沒有性別差異，具有分化成精子和卵的潛能，不同性細胞的分化決定于性腺的分化。

性腺的形成：

1。生殖嵴原基：由體腔上皮和間充質的體細胞形成（性腺前體）；

2。生殖細胞前體：原生殖細胞(primordialgermcell,PGC)由胚外的尿囊組織沿腸管移到胚內，經(jīng)中腎進入生殖嵴原基（人第6周）。原生殖細胞的遷移2。SRY與性腺細胞的分化雄性生殖嵴的形成：人胚胎發(fā)育第6周，PGC到達生殖嵴，在XY個體，一些體細胞開始表達SRY，最終分化為支持細胞：誘導PGC向精子方向分化；分泌抗穆勒氏管激素，促使其退化，抑制雌性生殖管道的形成

(輸卵管、子宮和陰道上部)；引導臨近間充質組織中的上皮和平滑肌細胞移入生殖嵴內，為精子形成提供結構支持；誘導生殖嵴的其它體細胞成為睪丸間質細胞(Leydig細胞)分泌睪酮：誘導烏爾夫氏管分化為雄性生殖管道(輸精管、前列腺);誘導雄性特征的形成。

雌性生殖嵴的形成：在XX個體，形成支持細胞的細胞分化為濾泡細胞；濾泡細胞誘導生殖嵴中其它體細胞分化為膜細胞(thecacell)，分泌雌激素。SRY作為另一個轉錄因子Sox9的開關，啟動Sox9表達；Sox9激活FGF9表達，F(xiàn)GF9蛋白分泌到細胞外，作為信號分子：FGF9作用于本身和臨近細胞，維持Sox9表達水平；抑制Wnt4表達，遏制雌性特征的形成；觸發(fā)細胞向XY性腺遷移，穩(wěn)定支持細胞的分化狀態(tài)，形成睪丸索。Sox9激活抗穆勒氏管激素的表達，使其退化，阻止雌性生殖管道的形成。細胞內轉錄因子細胞外生長因子(Wnt4-FGF9決定性別)3。SRY的作用機制（二）生殖細胞的形成與成熟小鼠PGC細胞在生殖嵴內的分裂部分胚外組織細胞分泌BMP4等臨近細胞表達Oct4(小鼠6dpc)PGC一些基因發(fā)生特異性甲基化和組蛋白修飾生殖嵴對生殖細胞減數(shù)分裂的調控出生前出生后11.5dpc二、早期胚胎發(fā)育過程中的細胞分化（一）動物早期發(fā)育概述桑椹胚囊胚卵裂期囊胚囊胚形成期囊胚原腸胚原腸胚形成期囊胚（外表）囊胚（切面）早期原腸胚晚期原腸胚（二）神經(jīng)胚期1.脊索的形成2.神經(jīng)管的形成3.神經(jīng)嵴細胞的形成卵裂桑椹期原腸胚期神經(jīng)胚器官形成期動物胚胎發(fā)育的主要分期（三）神經(jīng)管的初期分化1.神經(jīng)干細胞的維持FGF維持干細胞狀態(tài)

RA促進神經(jīng)前體細胞分化

Wnt維持腹側前體細胞的分裂

Shh-BMP誘導腹-背分化Delta-Notch與神經(jīng)前體細胞的分化三、果蠅胚胎早期發(fā)育中的細胞分化第15章在個體發(fā)育中，由一種相同的細胞類型經(jīng)細胞分裂后逐漸在形態(tài)、結構和功能上形成穩(wěn)定性差異，產(chǎn)生不同的細胞類型的過程稱之為細胞分化。細胞分化是基因選擇性表達的結果。分化細胞所表達的基因一類稱管家基因，另一類稱組織特異性基因。組織特異性基因的產(chǎn)物不僅影響分化細胞的形態(tài)結構，而且決定細胞所執(zhí)行的各自的生理功能。每種類型的分化細胞是由不同的調控蛋白以組合調控的方式，啟動組織特異性基因的表達，從而實現(xiàn)細胞分化的調控。細胞分化程序與調控涉及諸多因素，如受精卵的不均一性、胞外信號分子的作用、細胞間的相互作用與細胞的位置效應以及細胞的記憶等。其中，信號分子的作用是調控細胞分化最主要的因素。干細胞是機體中能進行自我更新和多向分化潛能并具有形成克隆能力的一類細胞。根據(jù)分化潛能的不同，干細胞可分為全能干細胞、多潛能干細胞、多能干細胞和單能干細胞。根據(jù)來源不同，干細胞又可以分為胚胎干細胞和成體干細胞。誘導性多潛能干細胞制備技術的建立，不僅加深了人們對細胞全能性的理解，而且極大地推動了干細胞與細胞分化的理論研究及其臨床應用。細胞分化最偉大的杰作，在于后生生物個體的形成，而后生動物的發(fā)育，是最為復雜，也是最引人入勝的生命過程。生物相對有限的基因，憑借重復而富有創(chuàng)造性的方式指導細胞的行為，分化并產(chǎn)生當今世界上多種生命體。在這個過程中，F(xiàn)GF、TGF-β、RA、Shh和Wnt等信號系統(tǒng)，按照極其相似的方式調控各種發(fā)育進程。哺乳動物雌雄兩性的分化，源于生殖腺細胞的分化。性腺原基——生殖嵴的固有分化方向是卵巢，Y染色體攜帶的SRY基因對性腺分化為睪丸是必需的，而Sox9則是更普遍的決定睪丸分化的基因，存在于所有脊椎動物。原生殖細胞經(jīng)過長距離遷移，進入生殖嵴，它們的分化方向由性腺的分化方向決定，RA和Wnt信號通路起了決定作用，尤其是RA及其頡頏物Cyp26b1是控制減數(shù)分裂的關鍵因素。脊椎動物的發(fā)育過程經(jīng)過受精、卵裂、囊胚和原腸胚，形成3個胚層，脊索中胚層誘導其附近的外胚層形成神經(jīng)管。神經(jīng)管的形成，是微管和微絲等細胞骨架聯(lián)合作用的結果。神經(jīng)管形成后，一部分細胞逐漸停止分裂并遷移到外側，神經(jīng)管上皮細胞則保持分裂能力。這個過程依靠FGF、RA、Wnt、Shh和BMP信號途徑的相互協(xié)調，以及神經(jīng)前體細胞依靠Delta－Notch信號而形成的旁側抑制作用。神經(jīng)管細胞的背腹分化，則主要依賴于背部的BMP信號分子濃度梯度和腹側Shh濃度梯度，而體節(jié)中胚層分泌的RA信號分子與Sh