1、第十四章 细胞分化与基因表达调控,细胞的重大生命活动：,不同生物具有不同的发育模式，但都涉及：细胞增殖细胞分化细胞间的相互作用。,细胞分化(cell differentiation) ：受精卵开始的个体发育过程中细胞之间逐渐产生稳定性差异的过程。基因组保持全能性基础上的基因选择性表达,细胞分化潜能由全能到多能到单能的受限过程主要标志：细胞内开始合成新的特异性蛋白质关键：细胞选择性表达合成特异性蛋白质，导致形态、结构和功能各异的细胞,细胞分化是个体行使正常功能的保证。 本质：细胞的基因组相同，但表达谱不同；使细胞 能行使不同的功能（分工）； 肌细胞 收缩作用 肌动蛋白和肌球蛋白； 成熟的红细胞
2、运输氧和二氧化碳血红蛋白； 表皮细胞保护作用角蛋白核心：基因是如何有序表达的？（调控）。,细胞分裂 细胞分裂 受精卵-胎儿-成人 细胞分化 细胞分化,受精卵,胎儿,成人,增殖,增殖,如果只有细胞增殖，没有细胞分化，就只能形成一细胞团，而不能形成人体。,细胞决定： 在个体发育过程中，细胞在发生可识别的分化特征之前已确定了未来的发育命运只能向特定方向分化的状态称为细胞决定(cell determination)。 细胞决定的物质：卵细胞质 遗传稳定性 决定制约着细胞分化的方向,证明：胚胎移植实验,细胞分化：稳定性：即在正常生理条件下，细胞的分化状态一旦确定，将终生不变，既不能逆转也不能互变。,去分
3、化： 一般情况下已经分化为某种特异的、稳定类型的细胞不可能逆转到未分化状态或者成为其他类型的分化细胞。 某些条件下，分化了的细胞不能维持其分化状态，其基因活动模式也可发生可逆性的变化而重新回到未分化状态，这种变化过程称为去分化。例如： 射线、药物、毒物. 正常分化的细胞 癌细胞,不正常条件,1958年有人用野生胡萝卜游离的韧皮部细胞进行体外培养的实验中，观察到已经高度分化的细胞可以重新分裂而回得到胚性细胞状态，这种现象叫做去分化或称脱分化，然后通过再分化形成根茎，最终发育成完整的新植株。,转分化： 在某些条件下，已经分化的细胞由一种分化状态转变到另外一种分化状态的过程，称为转分化。,培养基中缺
4、乏维生素A,人皮肤基底层细胞角化细胞 ,培养基中富含维生素A,粘膜上皮细胞或具有纤毛的上皮细胞,、细胞分化具有时间性和空间性单细胞生物：时间性多细胞生物：时间性空间性、生物体普遍存在分化胚胎期是重要的细胞分化时期,一、细胞的分化潜能,细胞分化能力的强弱称为分化潜能。细胞全能性：单个细胞经分裂和分化后仍具有发育成完整个体的能力受精卵和桑椹胚期的细胞前的细胞在胚胎发育过程中，由全能多能单能的发育趋向，是细胞分化的一个普遍规律,在三胚层形成之后由于细胞所处空间位置和微环境的差异，细胞的分化潜能受到限制，各胚层细胞只能向发育为本胚层组织和器官的方向分化，称为多能(干)细胞(pluripotent ce
5、ll)。经过器官发生各种组织细胞的命运最终确定只能形成一种细胞呈单能(unipotency)。,多能细胞,全能细胞,单能细胞,plant cell -totipotency,始终保持其分化全能性的细胞核 爪蟾卵核移植实验(经典的实验),爪蟾受精卵,去细胞核,植入表皮细胞的核,正常幼体,干细胞：在于个体发育过程中，具有长期(或无限)自我更新能力，并能分化产生某种(或多种)类型细胞的原始细胞，它们是维持个体生长发育、组织器官结构和功能的动态平衡及再生修复等生命现象的细胞学基础。分为：全能干细胞、多能干细胞、单能干细胞。单能干细胞只能分化为一种类型的细胞，也称为祖细胞，自我更新能力有限。,Ferti
6、lized ovum has totipotency,Strachan T, Read A 2003,干细胞的特征：终生保持未分化或低分化特征；在机体的中的数目、位置相对恒定；具有自我更新能力；能无限制的分裂增殖；具有多向分化潜能；分裂的慢周期性，绝大多数处于G0期；可行不对称分裂。,根据个体发育过程中出现的次序，干细胞又可分为胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞（ESC）是从胚胎内细胞团或原始生殖细胞筛选分离出的具有多能性或全能性的细胞。ESC的用途主要有：动物克隆；动物转基因；组织工程。,胚胎干细胞的应用,（1）建立ES细胞系为哺乳动物发育生物学研究提供材料或模型。如可利用ES细胞体外研究某
7、些细胞因子等因素对细胞生长和分化的影响，减少内源性因素干扰的复杂性；利用ES细胞的基因突变来研究细胞分化过程中某些基因的功能等。（2）利用ES细胞的发育多能性及环境因素对细胞发育的影响，定向诱导细胞分化为特定的细胞，如肌细胞，神经细胞等，为细胞移植提供新细胞来源。,如：将小鼠胚胎发育细胞期的一个细胞用针捣毁，另一个仍能发育为完全正常的小鼠。,受精卵,2细胞期,正常小鼠,克隆羊“多莉”实验,二、细胞分化的分子基础,奢侈基因（luxury gene）编码决定细胞性状的特异基因，对细胞自身生存无直接影响，是细胞向特殊类型分化的物质基础。如血红蛋白、肌动蛋白、分泌蛋白等。管家基因(house Keep
8、ing gene) 维持细胞生命活动所必需的、各类细胞共有的，对细胞分化只起协助作用的基因。如膜蛋白、核糖体蛋白、线粒体蛋白等。,一、细胞分化是基因选择性的表达基因差异表达：细胞分化并不是基因组DNA全部表 达，而是奢侈基因按一定程序，有 选择地相继活化表达不同细胞：相同DNA 不同RNA,每个基因的表达都必须：在正确的细胞中；在正确的时间；对正确的信号产生正确的反应；产生正确的表达水平。问题：细胞是如何协调（coordinate）这一过程的？答案：一个关键的调控蛋白，可以调控一系列下游基因，完成细胞分化。,分子杂交实验证明：细胞分化是基因选择性表达的结果分子杂交：DNA-DNA或DNA-RN
9、A单链之间的互补序列在一定条件下通过碱基互补配对原则形成双链的现象。,DNA-DNA杂交实验：不同物种的DNA序列不能杂交，证明DNA有物种特异性；同一物种不同组织的DNA间能杂交，表明DNA无组织特异性。DNA-RNA杂交实验：同一物种不同组织的DNA-RNA间的杂交不同，证明RNA有组织特异性。从分子水平看基因选择表达 特异mRNA转录 特异蛋白质合成细胞分化,上述实验证实一个动物体内的不同类型细胞所含DNA相同，它们具有相同的基因。在发育的不同阶段和不同类型的组织中发生差别基因表达，使RNA有所不同，由于编码特异蛋白的结构基因在不同细胞中被选择性地激活，转录产生了不同的mRNA，从不同的
10、mRNA转译产生的蛋白质就是专一的特异性蛋白质。特异蛋白质在细胞中出现就是细胞表型分化的标志。,基因差异表达的调控主要发生在转录水平（一）顺式调控元件启动子、增强子、沉默子等（二）反式作用因子（三）活性染色质结构的特异调控区（四）甲基化（五）同源盒基因,三、细胞分化的特点,1. 时空性细胞分化的实质是在细胞质（信号系统）和细胞核（基因组）共同作用下，选择性地表达特定的基因。已分化细胞的胞质RNA与核DNA杂交率低于10。细胞表达的基因分为：管家基因、组织特异性基因或奢侈基因。,2.定向性随着细胞的分裂和分化，发育方向逐渐被限定。决定意味着基因活动模式改变。例：哺乳动物桑椹胚的内细胞团和外围细胞
11、，前者形成胚胎、后者形成滋养层。无脊椎动物早期的卵裂球已经决定，每个卵裂球只能形成身体的一部分。,3. 稳定性动物细胞发生分化之后，其遗传表型保持稳定，通常是不可逆的。例：果蝇幼虫的成虫盘移植到成虫体内不发生细胞分化，可继续增殖或移植。如将其再移植回变态期幼虫体内则又能按原来已决定的命运分化。,4. 条件可逆性在特定条件下，分化细胞的基因活动模式可发生可逆的变化，又回到未分化状态。例1：植物愈伤组织。例2： 果蝇触角成虫盘经多次移植后，部分成虫盘可分化为成体的腿、翅或口器。,5. 普遍性个体一生中都进行着细胞分化。干细胞是细胞更新和组织修复的基础。一种组织的成体干细胞倾向于分化成该组织的各种细
12、胞，但特定条件下，可分化成其它组织的功能细胞，称为转分化或横向分化。高度分化的细胞不再分裂，对电离辐射敏感性低，而各种干细胞则不然。,四、细胞分化和增殖的关系,增殖信号和分化信号同时作用于干细胞，表现为边分化边增殖（反之亦然）；增殖和分化分别独立进行，一些干细胞只增殖不分化，另一些同类干细胞进入终末分化；细胞分化与分裂平行进行，干细胞进行不对称分裂，产生的子细胞一个保持原有干细胞特性，一个则进入终末分化。,五、细胞分化的影响因素,众多的内外因素，形成“网络”。（一）卵细胞质的作用卵细胞质的作用：细胞决定，即决定细胞分化的方向。作用时间：胚胎发育早期（卵裂期）,1 神经细胞质 神经细胞 2 脊索
13、细胞质 脊髓细胞3 外胚层细胞质 表皮4 中胚层细胞质 肌肉骨5 内胚层细胞质 腺细胞及消化道上皮,以蛙为例：,3,1,2,5,4,蛙受精卵的细胞质是不均质的，这种不均质性, 对胚胎的早期发育具有很大影响，在一定程度上决定细胞的早期分化,蛙卵,例如，将蛙受精卵卵裂早期的分裂球分离培养，只是含有灰新月物质的分裂球才能正常发育。,（二）细胞核的作用在细胞分化中，细胞核起着重要或决定性的作用。遗传物质决定性状，而遗传物质位于细胞核内。 从全能细胞 多能细胞 单能细胞，是细胞核内基因选择性表达的结果。,（三）核质相互作用细胞核中的基因对细胞质的代谢起调节作用；细胞质对核内基因的活性有控制作用；因此，核
14、质的作用是相互的，紧密联系着的，共同影响着细胞分化。,影响细胞分化的外在因素、细胞相互作用诱导细胞分化（1）胚胎诱导,胚胎诱导 （embryonic induction）在胚胎发育过程中，一部分细胞对邻近的另一部分细胞产生影响，并决定其分化方向的作用称为胚胎诱导。,胚胎诱导是胚胎形成中有序分化的重要因素。能对其它细胞起诱导作用的细胞称诱导者（inductor），接受诱导的组织或细胞称为反应者。,胚胎诱导分为三级：,初级诱导：如脊索中胚层诱导其表面的外胚层发 育神经板；次级诱导：如神经板卷成神经管后，前端膨大成 原脑，其两侧突出的视杯再诱导其上 方的外胚层形成晶状体，为次级诱导 三级诱导：晶状体
15、再诱导其表面的外胚层形成角 膜，为三级诱导。,脊索中胚层,外胚层,神经板,神经管,前脑-视杯,外胚层,晶状体,外胚层,角膜,、激素对细胞分化的作用在胚胎发育晚期或胚后发育中。 远距离细胞之间也有相互作用。如甲状腺素可引起蝌蚪变态；性激素刺激第二性征的出现。激素: 多肽类：与膜受体结合 第二信使调节基因活动 甾类： 与胞内受体结合 调节基因活动,例. 昆虫的保幼激素和脱皮激素，两者保持一定的比例时，幼虫脱皮而长大；当保幼激素含量减少时，幼虫化蛹，成虫器官发育。成虫期又开始合成保幼激素，促进性腺发育。,、位置信息对细胞分化的作用、环境因素影响细胞的分化细胞异常分化可引起细胞癌变细胞癌变是细胞去分化
16、的结果:低分化和高增殖肿瘤细胞的分化特征癌细胞是由正常细胞转化而来，表现为去分化或无序分化，分化程度与恶性程度成反比。肿瘤细胞可被诱导向正常细胞分化,细胞分化机制：autonomous mechanism：胚胎发育的早期细胞分裂由受精卵中的细胞质控制，不涉及细胞通信。inductive mechanism：随着胚胎发育的进行细胞之间主要通过信号系统协调分裂、分化和细胞的行为。细胞的分化命运主要取决于：细胞的内部特性，外部环境。,卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。卵细胞中贮存有大量mRNA，是母源基因的产物，维持卵细胞和早期胚胎代谢；呈非均匀分布，决定胚胎发育的图式（pattern）。合子基因在卵
17、裂后期才发挥作用。,一、细胞分裂的不对称性,用放线菌素D处理海胆受精卵，胚胎发育能进行至囊胚期；嘌呤霉素处理，受精卵停止发育。卵裂后的细胞质特性决定了子细胞的分化命运。,二、分化抑制,分化成熟的细胞可以产生“抑素”，抑制相邻细胞发生同样的分化。如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正常的心脏。“抑素” 是TGF-家族的成员。如 myostatin是肌肉生长的负调控因子， GDF11（Wu等2003）通过上调细胞周期抑制因子p27抑制神经组织生长。,Mouse myostatin mutant (right),Double-muscled mouse,Function of the
18、myostain,The so called chalone is the protein belonging to TGF- family, such as myostain,Belgian Blue bullDouble-muscled cattle,三、细胞数量效应,例1. 小鼠胚胎胰腺原基在体外培养，可发育成胰腺组织，如切成8小块分别培养，则不能。再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。例2. Fisher（1967）将大量肿瘤细胞注射到小鼠肝脏门静脉，小鼠很快死于肿瘤。只注射50个肿瘤细胞时，小鼠正常生存，手术检查未发现任何肿瘤。术后关腹饲养，发现小鼠很快死于肝肿瘤。,四、细胞外基质
19、的影响,ECM能与细胞表面的整合素相互作用，激活粘着斑激酶（FAK），FAK可以通过接头蛋白Grb2启动Ras信号途径，引起细胞增殖。干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上形成上皮细胞；在I型胶原和纤粘连蛋白上分化为成纤维细胞；在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。,五、细胞核与细胞分化,染色体结构的变化:1. 基因删除：原生动物、节肢动物。2 . 基因扩增：多线染色体、爪蟾卵母细胞rDNA。3 . 基因重排：如Ig基因(106108种抗体)。4 . DNA甲基化与异染色质化：基因失活。,成体中的细胞分化,已存在的细胞功能由弱、强、减退到丧失。经历新生成熟衰老死亡的过程，如表皮细胞。已有的分化细胞通过分裂产生两个功能相同的细胞，如血管内皮细胞。干细胞的分裂与分化，如多能造血干细胞。,再生,广义来看再生是生命的普遍现象，从分子、细胞到组织器官都具有再生现象。1.生理性再生：即细胞更新，如人的红细胞。2. 修复性再生：如壁虎、蝾螈、螃蟹、海参。3. 无性繁殖。,
