高中生物 第六章 第二節(jié) 細胞的分化素材 新人教版必修1

1、第6章第2節(jié)1.細胞分化的生理機制（1）細胞分裂的不對稱性卵母細胞的細胞核并不位于中央，而是在細胞外周靠近表面的地方，極體就是從這里形成并釋放出來的，通常把極體釋放的位點稱為動物極，而相對的一極稱為植物極。動物卵細胞中，貯存有25萬種不同核苷酸序列的mRNA，專供受精卵的啟動、分化和發(fā)育之用。卵細胞中的mRNA并非均勻分布的，而是位于特定的空間。因此，卵細胞質(zhì)的特性決定了子細胞核的分化命運，如昆蟲是以表面卵裂的方式形成胚層細胞的。（2）細胞間的相互作用胚胎誘導在胚胎發(fā)育過程中，一部分細胞影響相鄰細胞向一定方向分化的作用稱為胚胎誘導，如中胚層形成的脊索可誘導其頂部的外胚層發(fā)育成神經(jīng)板、神經(jīng)溝和神

2、經(jīng)管，視細胞可誘導其外面的外胚層形成晶體，而晶體又可誘導外胚層形成角膜。分化抑制用含有成蛙心組織的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚，則蛙胚不能發(fā)育出正常的心臟，若去除成蛙心組織，則蛙胚發(fā)育正常，這說明分化成熟的細胞可以產(chǎn)生某種物質(zhì)，抑制相鄰細胞發(fā)生同樣的分化，這種作用稱為分化抑制。細胞數(shù)量效應(yīng)當小鼠胚胎胰腺原基在體外進行組織培養(yǎng)時，可發(fā)育成具有功能的胰腺組織，但是，如果把胰腺原基切成8小塊分別培養(yǎng)，則都不能形成胰腺組織；如果再把分開的小塊合起來，又可形成胰腺組織?？梢娂毎麛?shù)量對誘導組織形成可能也是必要的。細胞外基質(zhì)細胞外基質(zhì)在胚胎發(fā)育和細胞分化中也具有重要的作用。激素的作用激素對細胞分化的影響可看做是遠距離細胞

3、間的相互作用，如昆蟲的保幼激素和蛻皮激素。前者的功能是保持幼蟲特征，促進成蟲器官原基的發(fā)育，后者的功能是促進蛻皮和成蟲形態(tài)的出現(xiàn)。當兩者保持一定的比例時，幼蟲蛻皮而長大，當保幼激素含量減少或不合成時，幼蟲化蛹，變?yōu)槌上x。成蟲期又開始合成保幼激素，促進性腺的發(fā)育。2.細胞分化的分子機制（1）染色體結(jié)構(gòu)的變化與細胞分化基因剔除 某些原生動物、昆蟲和甲殼動物在細胞分化過程中有部分染色體丟失的現(xiàn)象。例如，馬蛔蟲的一個變種（2n=4），當個體發(fā)育到一定階段時，在將要分化為體細胞的那些細胞中，染色體破裂為碎片，含有著絲粒的碎片在細胞分裂中保留，不具有著絲粒的碎片在分裂中丟失。不過，預定形成生殖細胞的那些細

4、胞中不發(fā)生染色體的斷裂和丟失現(xiàn)象?；驍U增 基因擴增是指細胞內(nèi)特定基因的拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象。例如，在卵裂和胚胎發(fā)育過程中，爪蟾卵母細胞中的rDNA基因大量擴增而形成大量核糖體，以供大量合成蛋白質(zhì)所需；在果蠅的唾腺細胞中，由于DNA復制而核不分裂，很容易觀察到多線染色體。基因重排 哺乳動物能產(chǎn)生106108種抗體，但并不意味著細胞內(nèi)具有相應(yīng)數(shù)量的基因，免疫球蛋白是異四聚體結(jié)構(gòu)，除重鏈和輕鏈的隨機組合以外，免疫球蛋白的多樣性主要來源于基因的重新組合。從這一點來看淋巴細胞的分化是不可逆的。DNA的甲基化 脊椎動物一些基因的活性與基因調(diào)控區(qū)域或其周圍特定胞嘧啶的甲基化有關(guān)，甲基化使基因失活，相

5、應(yīng)地非甲基化和低甲基化能活化基因的表達。細胞內(nèi)的基因可分為管家基因（house-keeping gene）和奢侈基因（luxury gene），前者是維持細胞生存不可缺少的，后者與細胞分化有關(guān)，是與組織特異性表達有關(guān)的基因，在特定組織中保持非甲基化或低甲基化狀態(tài)，而在其他組織中呈甲基化狀態(tài)。（2）基因與細胞分化無論是母體mRNA的作用還是細胞間的相互作用，其結(jié)果是啟動特定基因的表達。因此細胞分化的實質(zhì)是基因的差次表達或順序表達。即特定的基因在特定的時間內(nèi)在特定的組織中表達的結(jié)果。受精卵發(fā)育為新個體，是受一系列基因調(diào)控的，這些基因在發(fā)育過程中，按照時間、空間順序啟動和關(guān)閉，互相協(xié)調(diào)，對胚胎細胞的

6、生長和分化進行調(diào)節(jié)。人和鼠都是從單個受精卵發(fā)育而來的。其實，從一個受精卵中產(chǎn)生什么生物完全由基因組決定。這種決定究竟如何進行的呢？人體細胞的類型比我們想像的少得多。按照常規(guī)的組織學分類方法，脊椎動物和人體細胞類型約有200余種。這些細胞在人體中呈現(xiàn)有序的空間分布。細胞的種類或形狀彼此不同，是因為不同細胞中合成一些彼此不同的特殊蛋白“奢侈蛋白”，如表皮細胞的角蛋白，紅細胞的血紅蛋白，消化道細胞的消化酶，透鏡狀細胞的晶體蛋白，等等。除了這些“奢侈蛋白”以外，幾乎所有細胞中合成的蛋白質(zhì)都是一些生活必需品“持家蛋白”。由于細胞類型的差異源于細胞中工作的基因類群不同，所以人們自然想到也許細胞中的基因組成

7、發(fā)生了改變。例如，透鏡狀細胞不能合成血紅蛋白和角蛋白，可能是丟失了血紅蛋白和角蛋白的基因，而只剩下了晶體蛋白?；蛘?，細胞中其他基因沒有變化，但晶體蛋白基因增加了很多份。然而，許許多多的證據(jù)顯示，沒有這類可能性。幾乎所有細胞的基因組都和受精卵的一模一樣。已有實驗證明，雖然分化常常伴隨著顯著的細胞外觀變化，但細胞的基因組總是保持不變。兩棲類卵細胞較大，先用紫外線破壞它的核，再用玻璃微細管將其他細胞的核吸出，注入去核的卵細胞中。玻璃微細管刺入卵細胞時，會使卵細胞活化并開始分裂和分化。用各種分化細胞的核置換卵細胞的核，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們和卵細胞的核完全一樣，都可以發(fā)育成有生育能力的成蛙。3.細胞分化與再生進

8、入生長期之后，分化細胞即使進一步分裂，其分化的特性并不會改變。脊椎動物的皮膚、血液、肺等組織上的細胞，每過一段時間便會更新?lián)Q代。機體多數(shù)組織的細胞并不需要更新，有些特殊細胞將終生保持胚胎發(fā)育早期形成的數(shù)目。這些細胞因為不再分裂，所以一旦喪失便無法補充，如神經(jīng)細胞、心肌細胞、透鏡狀細胞等。當然，這些細胞通常壽命很長，并且處于多重保護之下。除此之外，它們之間沒有其他共同之處。為什么其他細胞需要不斷更新，而這些細胞卻可以終生保持呢？原因很難找尋，但是，至少對神經(jīng)細胞來說，細胞更新將改變已經(jīng)形成的精巧的神經(jīng)通路，致使某些記憶喪失。至于心肌細胞，目前尚難解釋。細胞再生有兩種方式，其一是通過已分化細胞的分

9、裂細胞復制，其二是通過干細胞再生。干細胞的性質(zhì)、再生速度以及再生過程非常多樣化。干細胞可以無限分裂產(chǎn)生分化細胞。形形色色的血細胞都是由多能的干細胞分化形成的，這些干細胞主要在成體的骨髓中產(chǎn)生。多能干細胞在胚胎發(fā)育早期，通過血液循環(huán)進入骨髓、脾臟和肝臟，并分別在這些組織中形成有造血功能的細胞群。4.干細胞及其分類一個成熟或者已分化的細胞進行分裂通常只能產(chǎn)生同種類型的細胞，而一個干細胞則可以分化形成多種類型的細胞。干細胞有很多種類型，它們存在于從胚胎到成體各個階段的組織和器官里。胚胎干細胞分裂速度快，并且有產(chǎn)生多種分化細胞類型的潛力，因此，它們也被稱為多能干細胞。成體干細胞分布于很多組織中，但是它

10、們數(shù)量稀少，分裂頻率低，分化潛力也很有限。事實上，很多類型的干細胞至今沒有在成體中找到。例如，肺上皮細胞缺陷會造成囊性纖維化，而成體中還沒有發(fā)現(xiàn)可以產(chǎn)生這種細胞的干細胞。利用干細胞進行各種疾病治療的關(guān)鍵在于能否成功分離胚胎干細胞和成體干細胞，并將它們在體外擴增后用于替代受損的組織。一般認為每種成體干細胞只能分化產(chǎn)生幾種相關(guān)的成熟細胞類型，但最近有研究表明，在某些環(huán)境中，一種干細胞類型可以轉(zhuǎn)化成其他類型的細胞，例如，造血干細胞可以分化形成神經(jīng)細胞。因為大多數(shù)疾病只是由于一類細胞損壞造成的，所以針對特定細胞類型的干細胞治療要比原來整個器官的移植更具優(yōu)勢。例如，帕金森氏綜合癥、多發(fā)性硬化和糖尿病等慢

11、性疾病非常適合利用干細胞治療。但是，在一些患有慢性疾病或多組織急性衰竭患者的受損組織中，通常很難再找到合適的干細胞。即使能夠分離到相應(yīng)的干細胞，也不一定能保證通過體外培養(yǎng)獲得治療所需的數(shù)量。最具潛力的干細胞是從胚泡中分離的胚胎干細胞。發(fā)育5天的人類胚泡最多有100個細胞，其中包括兩種類型：將來發(fā)育成胎盤的外層細胞和發(fā)育成胚胎的內(nèi)層細胞，即內(nèi)細胞團（ICM）。通常，移除外層細胞將導致ICM無法發(fā)育形成胚胎，但是，ICM可以在培養(yǎng)皿中快速分裂產(chǎn)生胚胎干細胞。胚胎干細胞有很多顯著的特征。例如，雖然它們在染色體組型等方面和正常的細胞沒有差別，但卻可以在體外無限增殖。另外，胚胎干細胞在體外可以分化形成很

12、多類型的細胞，這些細胞再移植回動物體內(nèi)，可以在一定程度上改善一些模型動物的病情。如果有辦法攻克免疫排斥的難題，胚胎干細胞移植有可能成為治療多種疾病的有效途徑。5.細胞核移植治療性克隆最理想的干細胞治療是使用來自患者自身的胚胎干細胞。然而，除了早期胚胎以外，我們無法從其他渠道獲得胚胎干細胞。那么，在成體中逆轉(zhuǎn)細胞正常分化的方向，從而得到適合的干細胞成了另一條可能的途徑。實驗設(shè)計的基本想法是用某種物質(zhì)將成體細胞逆轉(zhuǎn)成胚性細胞。這些物質(zhì)可以來自早期胚胎本身，也可以來自卵細胞，因為卵細胞豐富的細胞質(zhì)中含有早期胚胎發(fā)育所必須的因子。這些因子也同樣可以使體細胞核進入早期胚胎發(fā)育的狀態(tài)，所以，除去卵細胞的核

13、并植入來自成人細胞的核，就可能得到一個胚胎?，F(xiàn)在人們關(guān)注的焦點是能否利用核移植技術(shù)制造人類胚胎干細胞用以治療疾病，并且，能否利用患者自身的細胞來滿足特異性要求，解決免疫抑制的問題，確切地說，科學家還沒有找到最終答案。目前，核移植技術(shù)在很多物種中取得了成功，但在某些物種中卻失敗了，如果將這一技術(shù)用于人類，結(jié)果將會如何，目前還沒有清晰的答案。6.患者特異性干細胞治療適合干細胞治療的方法主要有兩種。一種是利用患者的活組織提取細胞核，轉(zhuǎn)入捐獻者的卵母細胞，重建早期胚胎并在體外培養(yǎng)至胚泡階段，分離ICM得到胚胎干細胞。它們與患者有共同的遺傳組成，所以可被視為患者的擴展部分。然后，利用研究小鼠模型所積累的經(jīng)驗，將胚胎干細胞誘導成與疾病相關(guān)的細胞類型，用于治療帕金森氏綜合癥、心臟病或脊髓損傷等。最近的研究表明，還可以使人類胚胎干細胞沿著特定的軌跡分化。不過，目前還不知道哪種活組織是最好的細胞核供體。另一種方法是將某種成體干細胞誘導成另一種適合治療疾病的類型，其優(yōu)勢是顯而易見的。不過，成體干細胞非常稀少并且很難獲取，例如，造血干細胞僅占血細胞總量的1/107；雖然它在骨髓中的含量相對多些，但仍然稀少。盡管造血干細胞還可以取自新生兒的臍帶血，但是臍帶血需預先儲備并且無法重復利用。目前還沒有關(guān)于純化臍帶血造血干細胞方法的報道，并且它們可否產(chǎn)生造血系統(tǒng)以外的其他細胞類型尚不清楚。另外，有研究人員認為，