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

1、第十一章 細胞分化與基因表達調(diào)控,精子,卵,受精卵,分化,新個體,發(fā) 育,Cell differentiation,卵裂和胚泡形成,受精卵,卵 裂,桑椹胚,胚 泡,胚 泡 腔,滋 養(yǎng) 層,內(nèi)細胞群,胚端滋養(yǎng)層,胚泡于受精后第4-5天形成，并進入子宮。,胚泡形成,胚泡,三胚層胚盤及相關(guān)結(jié)構(gòu)的形成（第三周）,部分上胚層細胞增殖-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,分化的主要標(biāo)志：細胞內(nèi)開始合成新的特異性 蛋白質(zhì) 細胞分化的關(guān)鍵：由于細胞選擇性表達合成特異性 蛋白質(zhì)，導(dǎo)致形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能各異的細胞,細胞分化(celldifferentiation) ：指受精卵開

2、始的個體發(fā)育過程中細胞之間逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定性差異的過程。,第一節(jié)細胞分化和細胞決定,細胞分裂 細胞分裂 受精卵-胎兒-成人 細胞分化 細胞分化,細胞分裂使細胞數(shù)目增加,細胞分化使細胞功能分工,受精卵,胎兒,成人,細胞分裂、生長,細胞分化,增殖,增殖,如果只有細胞增殖，沒有細胞分化， 就只能形成一細胞團，而不能形成人體。,通常，細胞分化是指細胞表型變化：,神經(jīng)細胞 具有傳導(dǎo)神經(jīng)信息的功能 （伸出長的突起）,肌細胞 具有收縮功能 （呈梭形或柱形）,紅細胞 具有攜帶氧和二氧化碳的功能 （呈圓盤狀）,表皮細胞 具有保護功能 （呈扁平形）,分化,分化,分化,分化,細胞分化的表現(xiàn)是產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)和功能的細胞，

3、其實質(zhì)是由于特異功能蛋白質(zhì)的合成。 如： 神經(jīng)細胞傳導(dǎo)神經(jīng)信息 神經(jīng)遞質(zhì)； 肌細胞 收縮作用 肌動蛋白和肌球蛋白； 成熟的紅細胞 運輸氧和二氧化碳血紅蛋白； 表皮細胞保護作用角蛋白,一、細胞分化的特點： 穩(wěn)定性：即在正常生理條件下，細胞的分化狀態(tài)一旦確定，將終生不變，既不能逆轉(zhuǎn)也不能互變。,去分化：在一定條件下，高度分化的細胞可以重新分裂而回得到胚性細胞狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做去分化 (dedifferentiation) 例如： 射線、藥物、毒物. 正常分化的細胞 癌細胞,不正常條件,1958年有人用野生胡蘿卜游離的韌皮部細胞進行體外培養(yǎng)的實驗中，觀察到已經(jīng)高度分化的細胞可以重新分裂而回得到胚性細

4、胞狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做去分化或稱脫分化，然后通過再分化形成根莖，最終發(fā)育成完整的新 植株。,轉(zhuǎn)分化：在一定的條件下哺乳動物的細胞也可以轉(zhuǎn)化成另一種分化細胞。 如：人皮膚基底層細胞角化細胞 粘膜上皮細胞或具有纖毛的上皮細胞。,培養(yǎng)基中缺乏維生素A,培養(yǎng)基中富含維生素A,、細胞分化具有時間性和空間性 單細胞生物：時間性 多細胞生物：時間性空間性 、生物體普遍存在分化 胚胎期是重要的細胞分化時期,細胞決定的物質(zhì)：卵細胞質(zhì),二、細胞決定,細胞決定（Determination）是指細胞在發(fā)生可識別的分化特征之前，就已確定了未來的發(fā)育命運，并向著特定方向分化，稱為細胞決定。,證明：胚胎移植實驗,（一）遺傳穩(wěn)

5、定性 果蠅成蟲盤細胞的移植實驗 （二）決定制約著細胞分化的方向,三、具有全能性的細胞與細胞核,細胞全能性：單個細胞經(jīng)分裂和分化后仍具有發(fā)育成完整個體的能力 受精卵和桑椹胚期的細胞前的細胞 在胚胎發(fā)育過程中，由全能多能單能的發(fā)育趨向，是細胞分化的一個普遍規(guī)律,多能細胞,全能細胞,單能細胞,plant cell -totipotency,始終保持其分化全能性的細胞核 爪蟾卵核移植實驗(經(jīng)典的實驗),爪蟾受精卵,去細胞核,植入表皮細胞的核,正常幼體,始終保持其分化全能性的細胞核,克隆羊“多莉”實驗,即:高度分化的細胞如乳腺細胞的核仍有全能性,圖示,四、細胞分化在細胞增殖的基礎(chǔ)上進行的,細胞分化發(fā)生于

6、細胞增殖的期 細胞的分裂能力往往隨著細胞分化程度的提高而有所下降,第二節(jié)、細胞分化的分子基礎(chǔ),奢侈基因（luxury gene）編碼決定細胞性狀的特異基因，對細胞自身生存無直接影響，是細胞向特殊類型分化的物質(zhì)基礎(chǔ)。如血紅蛋白、肌動蛋白、分泌蛋白等。,管家基因(house Keeping gene) 維持細胞生命活動所必需的、各類細胞共有的，對細胞分化只起協(xié)助作用的基因。如膜蛋白、核糖體蛋白、線粒體蛋白等。,一、細胞分化是基因選擇性的表達,基因差異表達：細胞分化并不是基因組DNA全部表 達，而是奢侈基因按一定程序，有 選擇地相繼活化表達 不同細胞：相同DNA 不同RNA 不同PRO,分子雜交實驗

7、證明：細胞分化是基因選擇性表達的結(jié)果,分子雜交：DNA-DNA或DNA-RNA單鏈之間的互補序列在一定條件下通過堿基互補配對原則形成雙鏈的現(xiàn)象。,DNA-DNA雜交實驗： 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無組織特異性。 DNA-RNA雜交實驗： 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 特異mRNA轉(zhuǎn)錄 特異蛋白質(zhì)合成細胞分化,上述實驗證實一個動物體內(nèi)的不同類型細胞所含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型的組織中發(fā)生差別基因表達，使RNA有所不同，

8、由于編碼特異蛋白的結(jié)構(gòu)基因在不同細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)就是專一的特異性蛋白質(zhì)。特異蛋白質(zhì)在細胞中出現(xiàn)就是細胞表型分化的標(biāo)志。,基因差異表達的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平,（一）順式調(diào)控元件 啟動子、增強子、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）甲基化 （五）同源盒基因,果蠅唾液腺多線染色體膨松區(qū)的變化,膨松區(qū),第四節(jié) 細胞分化的影響因素,一、影響細胞分化的內(nèi)在因素 卵細胞質(zhì) 細胞核的作用 核質(zhì)相互作用,（一）卵細胞質(zhì)的作用,卵細胞質(zhì)的作用：細胞決定，即決定細 胞分化的方向。 作用時間：胚胎發(fā)育早期（卵裂期）,3

9、,1,5,4,2,1 神經(jīng)細胞質(zhì) 神經(jīng)細胞 2 脊索細胞質(zhì) 脊髓細胞 3 外胚層細胞質(zhì) 表皮 4 中胚層細胞質(zhì) 肌肉骨 5 內(nèi)胚層細胞質(zhì) 腺細胞及消化道上皮,蛙卵,蛙受精卵的細胞質(zhì)是不均質(zhì)的， 這種不均質(zhì)性, 對胚胎的早期 發(fā)育具有很大影響，在一定程 度上決定細胞的早期分化,以蛙為例：,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,（二）細胞核的作用,在細胞分化中，細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)位于細胞核內(nèi)。 第二、從全能細胞 多能細胞 單能細胞，是細胞核內(nèi)基因選擇性表達的結(jié)果。,核質(zhì)相互作用,細胞核中的基因?qū)?/p>

10、胞質(zhì)的代謝起調(diào)節(jié)作用； 細胞質(zhì)對核內(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，共同影響著細胞分化。,1、細胞相互作用誘導(dǎo)細胞 2、激素對細胞分化的作用 3、位置信息對細胞分化的作用 、外環(huán)境影響細胞決定,（二）影響細胞分化的外在因素,、細胞相互作用誘導(dǎo)細胞分化,胚胎誘導(dǎo)是胚胎形成中有序分化的重要因素。 能對其它細胞起誘導(dǎo)作用的細胞稱誘導(dǎo)者（inductor），接受誘導(dǎo)的組織或細胞稱為反應(yīng)者。,胚胎誘導(dǎo) （embryonic induction） 在胚胎發(fā)育過程中，一部分細胞對 鄰近的另一部分細胞產(chǎn)生影響， 并決定其分化方向的作用 稱為胚胎誘導(dǎo)。,（1）胚胎誘導(dǎo),胚胎誘導(dǎo)分

11、為三級：,初級誘導(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，為次級誘導(dǎo) 三級誘導(dǎo)：晶狀體再誘導(dǎo)其表面的外胚層形成角 膜，為三級誘導(dǎo)。,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,圖示,、激素對細胞分化的作用,在胚胎發(fā)育晚期或胚后發(fā)育中。 遠距離細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：與膜受體結(jié)合 第二信使調(diào)節(jié)基因活動 甾類：與胞內(nèi)受體結(jié)合 調(diào)節(jié)基因活動,、位置信息對細胞分化的作用,、環(huán)境因素影響細胞的分化

12、,蜥蜴的性別發(fā)育：,滋養(yǎng)外胚層,內(nèi)細胞團,嵌合體實驗,細胞異常分化可引起細胞癌變,細胞癌變是細胞去分化的結(jié)果 低分化和高增殖 腫瘤細胞的分化特征 癌細胞是由正常細胞轉(zhuǎn)化而來，表現(xiàn)為去分化或無序分化，分化程度與惡性程度成反比。 腫瘤細胞可被誘導(dǎo)向正常細胞分化,第二節(jié)干細胞,干細胞（stem cell)：通常把機體中具有自我復(fù)制能力并能在一定條件下分化形成一種以上類型細胞的多潛能細胞稱為干細胞。,干細胞分類,根據(jù)分化能力的大小，可將機體干細胞分為： 全能干細胞 多能干細胞 單能干細胞,根據(jù)機體發(fā)育時期的不同，將機體干細胞分為 胚胎干細胞 成體干細胞,胚胎干細胞 成體干細胞,干細胞的基本特性,通常呈

13、圓形且具有不同的生化特性 角蛋白15:表皮干細胞巢蛋白:NSC 增殖速度通常很慢 不同干細胞具有不同的分化潛能 干細胞的增殖與分化主要受其微環(huán)境的調(diào)控,一、胚胎干細胞的分化,胚胎干細胞：胚胎干細胞(embryonic stem cell，簡稱ES細胞) 是指存在于早期胚胎中，具有多分化潛能的細胞。,受精卵及卵裂早期（桑甚胚期以前）的每一個細胞都有發(fā)育成一個完整機體的潛能，這些細胞稱為全能干細胞，它們具有發(fā)育的全能性。,如：將小鼠胚胎發(fā)育細胞期的一個細胞用針搗毀，另一個仍能發(fā)育為完全正常的小鼠。,正常小鼠,受精卵,2細胞期,將兩只細胞期的鼠胚合并，也能發(fā)育成一只正常的小鼠。表明哺乳類動物早期胚胎細胞發(fā)育到細胞期仍是全能的。,圖示,（1）建立ES細胞系為哺乳動物發(fā)育生物學(xué)研究提供材料或模型。如可利用ES細胞體外研究某些細胞因子等因素對細胞生長和分化的影響，減少內(nèi)源性因素干擾的復(fù)雜性；利用ES細胞的基因突變來研究細胞分化過程中某些基因的功能等。 （2）利用ES細胞的發(fā)育多能性及環(huán)境因素對細胞發(fā)育的影響，定向誘導(dǎo)細胞分化為特定的細胞，如肌細胞，神經(jīng)細胞等，為細胞移植提供新細胞來源。,胚胎干細胞的應(yīng)用,二、成體干細胞的分化,成體的許多組織中都保留一些具有增殖和分化能力的細胞，這類細胞稱為成體干細胞。 成體干細胞的分化特點： 其一是不對稱分裂，即一個干細