大連工業(yè)大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)第十一章-細(xì)胞分化與基因表達(dá)調(diào)控

第十一章細(xì)胞分化與基因表達(dá)調(diào)控精子卵受精卵分化新個(gè)體發(fā)育Celldifferentiation當(dāng)前1頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。

卵裂和胚泡形成受精卵卵裂桑椹胚胚泡當(dāng)前2頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。胚泡腔滋養(yǎng)層內(nèi)細(xì)胞群胚端滋養(yǎng)層胚泡于受精后第4-5天形成，并進(jìn)入子宮。胚泡形成胚泡當(dāng)前3頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。三胚層胚盤(pán)及相關(guān)結(jié)構(gòu)的形成（第三周）部分上胚層細(xì)胞增殖---原條頭部—原結(jié)中心淺凹---原凹原條上胚層形成：外胚層 中胚層 內(nèi)胚層當(dāng)前4頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。當(dāng)前5頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。當(dāng)前6頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。分化的主要標(biāo)志：細(xì)胞內(nèi)開(kāi)始合成新的特異性蛋白質(zhì)細(xì)胞分化的關(guān)鍵：由于細(xì)胞選擇性表達(dá)合成特異性蛋白質(zhì)，導(dǎo)致形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能各異的細(xì)胞細(xì)胞分化(celldifferentiation)：指受精卵開(kāi)始的個(gè)體發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞之間逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定性差異的過(guò)程。第一節(jié)細(xì)胞分化和細(xì)胞決定當(dāng)前7頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。

細(xì)胞分裂細(xì)胞分裂

受精卵――――--胎兒――――----成人

細(xì)胞分化細(xì)胞分化

細(xì)胞分裂使細(xì)胞數(shù)目增加細(xì)胞分化使細(xì)胞功能分工受精卵胎兒成人細(xì)胞分裂、生長(zhǎng)細(xì)胞分化當(dāng)前8頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。增殖增殖如果只有細(xì)胞增殖，沒(méi)有細(xì)胞分化，就只能形成一細(xì)胞團(tuán)，而不能形成人體。當(dāng)前9頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。通常，細(xì)胞分化是指細(xì)胞表型變化：神經(jīng)細(xì)胞具有傳導(dǎo)神經(jīng)信息的功能（伸出長(zhǎng)的突起）肌細(xì)胞具有收縮功能（呈梭形或柱形）

紅細(xì)胞具有攜帶氧和二氧化碳的功能（呈圓盤(pán)狀）

表皮細(xì)胞具有保護(hù)功能（呈扁平形）

分化分化分化分化當(dāng)前10頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。細(xì)胞分化的表現(xiàn)是產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)胞，其實(shí)質(zhì)是由于特異功能蛋白質(zhì)的合成。如：神經(jīng)細(xì)胞

傳導(dǎo)神經(jīng)信息

神經(jīng)遞質(zhì)；肌細(xì)胞

收縮作用

肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白；成熟的紅細(xì)胞

運(yùn)輸氧和二氧化碳

血紅蛋白；表皮細(xì)胞

保護(hù)作用

角蛋白當(dāng)前11頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。一、細(xì)胞分化的特點(diǎn)：

１．穩(wěn)定性：即在正常生理?xiàng)l件下，細(xì)胞的分化狀態(tài)一旦確定，將終生不變，既不能逆轉(zhuǎn)也不能互變。當(dāng)前12頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。

２．去分化：在一定條件下，高度分化的細(xì)胞可以重新分裂而回得到胚性細(xì)胞狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做去分化(dedifferentiation)例如：

射線、藥物、毒物...正常分化的細(xì)胞癌細(xì)胞不正常條件當(dāng)前13頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。1958年有人用野生胡蘿卜游離的韌皮部細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)中，觀察到已經(jīng)高度分化的細(xì)胞可以重新分裂而回得到胚性細(xì)胞狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做去分化或稱(chēng)脫分化，然后通過(guò)再分化形成根莖，最終發(fā)育成完整的新植株。當(dāng)前14頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。轉(zhuǎn)分化：在一定的條件下哺乳動(dòng)物的細(xì)胞也可以轉(zhuǎn)化成另一種分化細(xì)胞。

如：人皮膚基底層細(xì)胞

角化細(xì)胞

粘膜上皮細(xì)胞或具有纖毛的上皮細(xì)胞。

培養(yǎng)基中缺乏維生素A培養(yǎng)基中富含維生素A當(dāng)前15頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。發(fā)育具有很大影響，在一定程當(dāng)前19頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。不同PRO遠(yuǎn)距離細(xì)胞之間也有相互作用。表明哺乳類(lèi)動(dòng)物早期胚胎細(xì)胞發(fā)育到８細(xì)胞期仍是全能的。如血紅蛋白、肌動(dòng)蛋白、分泌蛋白等。一、影響細(xì)胞分化的內(nèi)在因素3外胚層細(xì)胞質(zhì)表皮其一是不對(duì)稱(chēng)分裂，即一個(gè)干細(xì)胞分裂后所產(chǎn)生的兩個(gè)子細(xì)胞中，一個(gè)仍為干細(xì)胞，另一個(gè)則分化為功能細(xì)胞；當(dāng)前17頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。胚胎期是重要的細(xì)胞分化時(shí)期三胚層胚盤(pán)及相關(guān)結(jié)構(gòu)的形成（第三周）細(xì)胞分化發(fā)生于細(xì)胞增殖的Ｇ１期多能干細(xì)胞第一節(jié)細(xì)胞分化和細(xì)胞決定３、細(xì)胞分化具有時(shí)間性和空間性

單細(xì)胞生物：時(shí)間性多細(xì)胞生物：時(shí)間性＋空間性４、生物體普遍存在分化

胚胎期是重要的細(xì)胞分化時(shí)期當(dāng)前16頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。細(xì)胞決定的物質(zhì)：卵細(xì)胞質(zhì)二、細(xì)胞決定細(xì)胞決定（Determination）是指細(xì)胞在發(fā)生可識(shí)別的分化特征之前，就已確定了未來(lái)的發(fā)育命運(yùn)，并向著特定方向分化，稱(chēng)為細(xì)胞決定。當(dāng)前17頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。證明：胚胎移植實(shí)驗(yàn)當(dāng)前18頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。（一）遺傳穩(wěn)定性

果蠅成蟲(chóng)盤(pán)細(xì)胞的移植實(shí)驗(yàn)（二）決定制約著細(xì)胞分化的方向當(dāng)前19頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。當(dāng)前20頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。三、具有全能性的細(xì)胞與細(xì)胞核細(xì)胞全能性：?jiǎn)蝹€(gè)細(xì)胞經(jīng)分裂和分化后仍具有發(fā)育成完整個(gè)體的能力受精卵和桑椹胚期的８細(xì)胞前的細(xì)胞在胚胎發(fā)育過(guò)程中，由全能

多能

單能的發(fā)育趨向，是細(xì)胞分化的一個(gè)普遍規(guī)律當(dāng)前21頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。多能細(xì)胞全能細(xì)胞單能細(xì)胞當(dāng)前22頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。plantcell--totipotency當(dāng)前23頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。始終保持其分化全能性的細(xì)胞核爪蟾卵核移植實(shí)驗(yàn)(經(jīng)典的實(shí)驗(yàn))爪蟾受精卵去細(xì)胞核植入表皮細(xì)胞的核正常幼體當(dāng)前24頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。始終保持其分化全能性的細(xì)胞核當(dāng)前25頁(yè)，共61頁(yè)，星期日?？寺⊙颉岸嗬颉睂?shí)驗(yàn)即:高度分化的細(xì)胞如乳腺細(xì)胞的核仍有全能性圖示當(dāng)前26頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。四、細(xì)胞分化在細(xì)胞增殖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的細(xì)胞分化發(fā)生于細(xì)胞增殖的Ｇ１期細(xì)胞的分裂能力往往隨著細(xì)胞分化程度的提高而有所下降當(dāng)前27頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。

第二節(jié)、細(xì)胞分化的分子基礎(chǔ)

奢侈基因（luxurygene）編碼決定細(xì)胞性狀的特異基因，對(duì)細(xì)胞自身生存無(wú)直接影響，是細(xì)胞向特殊類(lèi)型分化的物質(zhì)基礎(chǔ)。如血紅蛋白、肌動(dòng)蛋白、分泌蛋白等。管家基因(houseKeepinggene)維持細(xì)胞生命活動(dòng)所必需的、各類(lèi)細(xì)胞共有的，對(duì)細(xì)胞分化只起協(xié)助作用的基因。如膜蛋白、核糖體蛋白、線粒體蛋白等。當(dāng)前28頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。一、細(xì)胞分化是基因選擇性的表達(dá)基因差異表達(dá)：細(xì)胞分化并不是基因組DNA全部表達(dá)，而是奢侈基因按一定程序，有選擇地相繼活化表達(dá)不同細(xì)胞：相同DNA不同RNA不同PRO當(dāng)前29頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。分子雜交實(shí)驗(yàn)證明：細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果分子雜交：DNA-DNA或DNA-RNA單鏈之間的互補(bǔ)序列在一定條件下通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則形成雙鏈的現(xiàn)象。當(dāng)前30頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。DNA-DNA雜交實(shí)驗(yàn)：不同物種的DNA序列不能雜交，證明DNA有物種特異性；同一物種不同組織的DNA間能雜交，表明DNA無(wú)組織特異性。DNA-RNA雜交實(shí)驗(yàn)：同一物種不同組織的DNA-RNA間的雜交不同，證明RNA有組織特異性。從分子水平看基因選擇表達(dá)

特異mRNA轉(zhuǎn)錄

特異蛋白質(zhì)合成

細(xì)胞分化當(dāng)前31頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。上述實(shí)驗(yàn)證實(shí)一個(gè)動(dòng)物體內(nèi)的不同類(lèi)型細(xì)胞所含DNA相同，它們具有相同的基因。在發(fā)育的不同階段和不同類(lèi)型的組織中發(fā)生差別基因表達(dá)，使RNA有所不同，由于編碼特異蛋白的結(jié)構(gòu)基因在不同細(xì)胞中被選擇性地激活，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生了不同的mRNA，從不同的mRNA轉(zhuǎn)譯產(chǎn)生的蛋白質(zhì)就是專(zhuān)一的特異性蛋白質(zhì)。特異蛋白質(zhì)在細(xì)胞中出現(xiàn)就是細(xì)胞表型分化的標(biāo)志。當(dāng)前32頁(yè)，共61頁(yè)，星期日?；虿町惐磉_(dá)的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平（一）順式調(diào)控元件啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子等（二）反式作用因子（三）活性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異調(diào)控區(qū)（四）ＤＮＡ甲基化（五）同源盒基因當(dāng)前33頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。果蠅唾液腺多線染色體膨松區(qū)的變化膨松區(qū)當(dāng)前34頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。第四節(jié)細(xì)胞分化的影響因素一、影響細(xì)胞分化的內(nèi)在因素卵細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核的作用核質(zhì)相互作用當(dāng)前35頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。（一）卵細(xì)胞質(zhì)的作用卵細(xì)胞質(zhì)的作用：細(xì)胞決定，即決定細(xì)胞分化的方向。作用時(shí)間：胚胎發(fā)育早期（卵裂期）當(dāng)前36頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。315421神經(jīng)細(xì)胞質(zhì)神經(jīng)細(xì)胞2脊索細(xì)胞質(zhì)脊髓細(xì)胞3外胚層細(xì)胞質(zhì)表皮4中胚層細(xì)胞質(zhì)肌肉骨5內(nèi)胚層細(xì)胞質(zhì)腺細(xì)胞及消化道上皮蛙卵蛙受精卵的細(xì)胞質(zhì)是不均質(zhì)的，這種不均質(zhì)性,對(duì)胚胎的早期發(fā)育具有很大影響，在一定程度上決定細(xì)胞的早期分化以蛙為例：當(dāng)前37頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。例如，將蛙受精卵卵裂早期的分裂球分離培養(yǎng)，只是含有灰新月物質(zhì)的分裂球才能正常發(fā)育。圖示當(dāng)前38頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。（二）細(xì)胞核的作用在細(xì)胞分化中，細(xì)胞核起著重要或決定性的作用。第一、遺傳物質(zhì)決定性狀，而遺傳物質(zhì)位于細(xì)胞核內(nèi)。第二、從全能細(xì)胞多能細(xì)胞單能細(xì)胞，是細(xì)胞核內(nèi)基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。當(dāng)前39頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。核質(zhì)相互作用

細(xì)胞核中的基因?qū)?xì)胞質(zhì)的代謝起調(diào)節(jié)作用；細(xì)胞質(zhì)對(duì)核內(nèi)基因的活性有控制作用；因此，核質(zhì)的作用是相互的，緊密聯(lián)系著的，共同影響著細(xì)胞分化。當(dāng)前40頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。1、細(xì)胞相互作用誘導(dǎo)細(xì)胞2、激素對(duì)細(xì)胞分化的作用3、位置信息對(duì)細(xì)胞分化的作用４、外環(huán)境影響細(xì)胞決定（二）影響細(xì)胞分化的外在因素當(dāng)前41頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。１、細(xì)胞相互作用誘導(dǎo)細(xì)胞分化胚胎誘導(dǎo)是胚胎形成中有序分化的重要因素。能對(duì)其它細(xì)胞起誘導(dǎo)作用的細(xì)胞稱(chēng)誘導(dǎo)者（inductor），接受誘導(dǎo)的組織或細(xì)胞稱(chēng)為反應(yīng)者。

胚胎誘導(dǎo)

（embryonicinduction）在胚胎發(fā)育過(guò)程中，一部分細(xì)胞對(duì)鄰近的另一部分細(xì)胞產(chǎn)生影響，并決定其分化方向的作用稱(chēng)為胚胎誘導(dǎo)。（1）胚胎誘導(dǎo)當(dāng)前42頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。胚胎誘導(dǎo)分為三級(jí)：

初級(jí)誘導(dǎo)：如脊索中胚層誘導(dǎo)其表面的外胚層發(fā)育神經(jīng)板；次級(jí)誘導(dǎo)：如神經(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)其上方的外胚層形成晶狀體，為次級(jí)誘導(dǎo)三級(jí)誘導(dǎo)：晶狀體再誘導(dǎo)其表面的外胚層形成角膜，為三級(jí)誘導(dǎo)。當(dāng)前43頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。脊索中胚層外胚層神經(jīng)板前腦-視杯神經(jīng)管外胚層晶狀體外胚層角膜當(dāng)前44頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。圖示當(dāng)前45頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。２、激素對(duì)細(xì)胞分化的作用在胚胎發(fā)育晚期或胚后發(fā)育中。遠(yuǎn)距離細(xì)胞之間也有相互作用。如甲狀腺素可引起蝌蚪變態(tài)；性激素刺激第二性征的出現(xiàn)。激素分多肽類(lèi)：與膜受體結(jié)合第二信使調(diào)節(jié)基因活動(dòng)甾類(lèi)：與胞內(nèi)受體結(jié)合調(diào)節(jié)基因活動(dòng)當(dāng)前46頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。３、位置信息對(duì)細(xì)胞分化的作用４、環(huán)境因素影響細(xì)胞的分化蜥蜴的性別發(fā)育：Ｔ當(dāng)前47頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。滋養(yǎng)外胚層內(nèi)細(xì)胞團(tuán)嵌合體實(shí)驗(yàn)當(dāng)前48頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。一、影響細(xì)胞分化的內(nèi)在因素當(dāng)前58頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。當(dāng)前55頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。3、位置信息對(duì)細(xì)胞分化的作用當(dāng)前43頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。特異蛋白質(zhì)在細(xì)胞中出現(xiàn)就是細(xì)胞表型分化的標(biāo)志。當(dāng)前12頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。三、具有全能性的細(xì)胞與細(xì)胞核一、影響細(xì)胞分化的內(nèi)在因素胞分化的方向。當(dāng)前8頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。神經(jīng)細(xì)胞傳導(dǎo)神經(jīng)信息神經(jīng)遞質(zhì)；細(xì)胞的分裂能力往往隨著細(xì)胞分化程度的提高而有所下降分子雜交實(shí)驗(yàn)證明：細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果根據(jù)機(jī)體發(fā)育時(shí)期的不同，將機(jī)體干細(xì)胞分為細(xì)胞異常分化可引起細(xì)胞癌變細(xì)胞癌變是細(xì)胞去分化的結(jié)果

低分化和高增殖腫瘤細(xì)胞的分化特征癌細(xì)胞是由正常細(xì)胞轉(zhuǎn)化而來(lái)，表現(xiàn)為去分化或無(wú)序分化，分化程度與惡性程度成反比。腫瘤細(xì)胞可被誘導(dǎo)向正常細(xì)胞分化當(dāng)前49頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。第二節(jié)干細(xì)胞干細(xì)胞（stemcell)：通常把機(jī)體中具有自我復(fù)制能力并能在一定條件下分化形成一種以上類(lèi)型細(xì)胞的多潛能細(xì)胞稱(chēng)為干細(xì)胞。當(dāng)前50頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。干細(xì)胞分類(lèi)根據(jù)分化能力的大小，可將機(jī)體干細(xì)胞分為：全能干細(xì)胞多能干細(xì)胞單能干細(xì)胞根據(jù)機(jī)體發(fā)育時(shí)期的不同，將機(jī)體干細(xì)胞分為胚胎干細(xì)胞成體干細(xì)胞當(dāng)前51頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。胚胎干細(xì)胞成體干細(xì)胞當(dāng)前52頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。干細(xì)胞的基本特性通常呈圓形且具有不同的生化特性角蛋白15:表皮干細(xì)胞巢蛋白:NSC增殖速度通常很慢不同干細(xì)胞具有不同的分化潛能干細(xì)胞的增殖與分化主要受其微環(huán)境的調(diào)控當(dāng)前53頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。一、胚胎干細(xì)胞的分化

胚胎干細(xì)胞：胚胎干細(xì)胞(embryonicstemcell，簡(jiǎn)稱(chēng)ES細(xì)胞)是指存在于早期胚胎中，具有多分化潛能的細(xì)胞。受精卵及卵裂早期（桑甚胚期以前）的每一個(gè)細(xì)胞都有發(fā)育成一個(gè)完整機(jī)體的潛能，這些細(xì)胞稱(chēng)為全能干細(xì)胞，它們具有發(fā)育的全能性。當(dāng)前54頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。選擇地相繼活化表達(dá)在細(xì)胞分化中，細(xì)胞核起著重要或決定性的作用。2脊索細(xì)胞質(zhì)脊髓細(xì)胞胚胎誘導(dǎo)（embryonicinduction）當(dāng)前4頁(yè)，共61頁(yè)，星期日。通常呈圓形且具有不同的生化特性第二、從全能細(xì)胞多能細(xì)胞單能細(xì)胞，是細(xì)胞核內(nèi)基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。同一物種不同組織的DNA間能雜交，表明DNA無(wú)組織特異性。利用ES細(xì)胞的基因突變來(lái)研究細(xì)胞分化過(guò)程中某些基因的功能等。２．去分化：在一定條件下，高度分化的細(xì)胞可以重新分裂而回得到胚性細(xì)胞狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做去分化(dedifferentiation)受精卵及卵裂早期（桑甚胚期以前）的每一個(gè)細(xì)胞都有發(fā)育成一個(gè)完整機(jī)體的潛能，這些細(xì)胞稱(chēng)為全能干細(xì)胞，它們具有發(fā)育的全能性。表明哺乳類(lèi)動(dòng)物早期胚胎細(xì)胞發(fā)育到８細(xì)胞期仍是全能的。3外胚層細(xì)胞質(zhì)表皮細(xì)胞核中的基因?qū)?xì)胞質(zhì)的代謝起調(diào)節(jié)作用；一、影響細(xì)胞分