細(xì)胞分化與基因表達(dá)調(diào)控

1、第十四章 細(xì)胞分化與基因表達(dá)調(diào)控,細(xì)胞的重大生命活動(dòng)：,不同生物具有不同的發(fā)育模式，但都涉及：①細(xì)胞增殖②細(xì)胞分化③細(xì)胞間的相互作用。,細(xì)胞分化(cell differentiation) ：受精卵開始的個(gè)體發(fā)育過程中細(xì)胞之間逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定性差異的過程?；蚪M保持全能性基礎(chǔ)上的基因選擇性表達(dá),細(xì)胞分化潛能由全能到多能到單能的受限過程主要標(biāo)志：細(xì)胞內(nèi)開始合成新的特異性蛋白質(zhì)關(guān)鍵：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)

2、和功能各異的細(xì)胞,細(xì)胞分化是個(gè)體行使正常功能的保證。 本質(zhì)：細(xì)胞的基因組相同，但表達(dá)譜不同；使細(xì)胞 能行使不同的功能（分工）； 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?角蛋白核心：基因是如何有序表達(dá)的？（調(diào)控）。,細(xì)胞分裂 細(xì)胞分裂 受精卵――――--胎兒――――----成人

3、 細(xì)胞分化 細(xì)胞分化,受精卵,胎兒,成人,,,增殖,,,增殖,如果只有細(xì)胞增殖，沒有細(xì)胞分化，就只能形成一細(xì)胞團(tuán)，而不能形成人體。,細(xì)胞決定： 在個(gè)體發(fā)育過程中，細(xì)胞在發(fā)生可識(shí)別的分化特征之前已確定了未來的發(fā)育命運(yùn)只能向特定方向分化的狀態(tài)稱為細(xì)胞決定(cell determination)。 細(xì)胞決定的物質(zhì)：卵細(xì)胞質(zhì) 遺傳穩(wěn)定性 決定制約著細(xì)胞分化的方向,證明：胚胎移植實(shí)驗(yàn),細(xì)胞分化：

4、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。,去分化： 一般情況下已經(jīng)分化為某種特異的、穩(wěn)定類型的細(xì)胞不可能逆轉(zhuǎn)到未分化狀態(tài)或者成為其他類型的分化細(xì)胞。 某些條件下，分化了的細(xì)胞不能維持其分化狀態(tài)，其基因活動(dòng)模式也可發(fā)生可逆性的變化而重新回到未分化狀態(tài)，這種變化過程稱為去分化。例如： 射線、藥物、毒物... 正常分化的細(xì)胞

5、 癌細(xì)胞,,,不正常條件,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： 在某些條件下，已經(jīng)分化的細(xì)胞由一種分化狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另外一種分化狀態(tài)的過程，稱為轉(zhuǎn)分化。,培養(yǎng)基中缺乏維生素A,,人皮膚基底層細(xì)胞?角化細(xì)胞 ?,培養(yǎng)基中富含維生素A,

6、粘膜上皮細(xì)胞或具有纖毛的上皮細(xì)胞,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,一、細(xì)胞的分化潛能,細(xì)胞分化能力的強(qiáng)弱稱為分化潛能。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,在三胚層形成之后由于細(xì)胞所處空間位置和微環(huán)

7、境的差異，細(xì)胞的分化潛能受到限制，各胚層細(xì)胞只能向發(fā)育為本胚層組織和器官的方向分化，稱為多能(干)細(xì)胞(pluripotent cell)。經(jīng)過器官發(fā)生各種組織細(xì)胞的命運(yùn)最終確定只能形成一種細(xì)胞呈單能(unipotency)。,多能細(xì)胞,全能細(xì)胞,單能細(xì)胞,,,plant cell --totipotency,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,

8、正常幼體,,干細(xì)胞：在于個(gè)體發(fā)育過程中，具有長(zhǎng)期(或無限)自我更新能力，并能分化產(chǎn)生某種(或多種)類型細(xì)胞的原始細(xì)胞，它們是維持個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育、組織器官結(jié)構(gòu)和功能的動(dòng)態(tài)平衡及再生修復(fù)等生命現(xiàn)象的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)。分為：全能干細(xì)胞、多能干細(xì)胞、單能干細(xì)胞。單能干細(xì)胞只能分化為一種類型的細(xì)胞，也稱為祖細(xì)胞，自我更新能力有限。,Fertilized ovum has totipotency,Strachan T, Read A 2003,干細(xì)胞的

9、特征：①終生保持未分化或低分化特征；②在機(jī)體的中的數(shù)目、位置相對(duì)恒定；③具有自我更新能力；④能無限制的分裂增殖；⑤具有多向分化潛能；⑥分裂的慢周期性，絕大多數(shù)處于G0期；⑦可行不對(duì)稱分裂。,根據(jù)個(gè)體發(fā)育過程中出現(xiàn)的次序，干細(xì)胞又可分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞（ESC）是從胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)或原始生殖細(xì)胞篩選分離出的具有多能性或全能性的細(xì)胞。ESC的用途主要有：①動(dòng)物克?。虎趧?dòng)物轉(zhuǎn)基因；③組織工程。,胚胎干細(xì)胞的應(yīng)用

10、,（1）建立ES細(xì)胞系為哺乳動(dòng)物發(fā)育生物學(xué)研究提供材料或模型。如可利用ES細(xì)胞體外研究某些細(xì)胞因子等因素對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)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(xì)胞的基因突變來研究細(xì)胞分化過程中某些基因的功能等。（2）利用ES細(xì)胞的發(fā)育多能性及環(huán)境因素對(duì)細(xì)胞發(fā)育的影響，定向誘導(dǎo)細(xì)胞分化為特定的細(xì)胞，如肌細(xì)胞，神經(jīng)細(xì)胞等，為細(xì)胞移植提供新細(xì)胞來源。,如：將小鼠胚胎發(fā)育２細(xì)胞期的一個(gè)細(xì)胞用針搗毀，另一個(gè)仍能發(fā)育為完全正常的小鼠。,受精

11、卵,2細(xì)胞期,正常小鼠,,,,,克隆羊“多莉”實(shí)驗(yàn),二、細(xì)胞分化的分子基礎(chǔ),奢侈基因（luxury gene）編碼決定細(xì)胞性狀的特異基因，對(duì)細(xì)胞自身生存無直接影響，是細(xì)胞向特殊類型分化的物質(zhì)基礎(chǔ)。如血紅蛋白、肌動(dòng)蛋白、分泌蛋白等。管家基因(house Keeping gene) 維持細(xì)胞生命活動(dòng)所必需的、各類細(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。,一、細(xì)胞分化是基因選擇性的表達(dá)基因差異表達(dá)：

12、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,每個(gè)基因的表達(dá)都必須：在正確的細(xì)胞中；在正確的時(shí)間；對(duì)正確的信號(hào)產(chǎn)生正確的反應(yīng)；產(chǎn)生正確的表達(dá)水平。問題：細(xì)胞是如何協(xié)調(diào)（coordinate）這一過程的？答案：一個(gè)關(guān)鍵的調(diào)控蛋白，可以調(diào)控一系列下游基因，完成細(xì)胞分化。

13、,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堿基互補(bǔ)配對(duì)原則形成雙鏈的現(xiàn)象。,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mRN

14、A轉(zhuǎn)錄 ? 特異蛋白質(zhì)合成?細(xì)胞分化,上述實(shí)驗(yàn)證實(shí)一個(gè)動(dòng)物體內(nèi)的不同類型細(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。,基因差異表達(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

15、、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,三、細(xì)胞分化的特點(diǎn),1. 時(shí)空性細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)是在細(xì)胞質(zhì)（信號(hào)系統(tǒng)）和細(xì)胞核（基因組）共同作用下，選擇性地表達(dá)特定的基因。已分化細(xì)胞的胞質(zhì)RNA與核DNA雜交率低于10％。細(xì)胞表達(dá)的基因分為：管家基因、組織特異性基因或奢侈基因。,2.定向性隨著細(xì)胞的分裂和分化，發(fā)育方向逐漸被限定。決定意味著基因活動(dòng)模式改變。例：哺乳動(dòng)物桑

16、椹胚的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)和外圍細(xì)胞，前者形成胚胎、后者形成滋養(yǎng)層。無脊椎動(dòng)物早期的卵裂球已經(jīng)決定，每個(gè)卵裂球只能形成身體的一部分。,3. 穩(wěn)定性動(dòng)物細(xì)胞發(fā)生分化之后，其遺傳表型保持穩(wěn)定，通常是不可逆的。例：果蠅幼蟲的成蟲盤移植到成蟲體內(nèi)不發(fā)生細(xì)胞分化，可繼續(xù)增殖或移植。如將其再移植回變態(tài)期幼蟲體內(nèi)則又能按原來已決定的命運(yùn)分化。,4. 條件可逆性在特定條件下，分化細(xì)胞的基因活動(dòng)模式可發(fā)生可逆的變化，又回到未分化狀態(tài)。例1：植物愈傷組織。

17、例2： 果蠅觸角成蟲盤經(jīng)多次移植后，部分成蟲盤可分化為成體的腿、翅或口器。,5. 普遍性個(gè)體一生中都進(jìn)行著細(xì)胞分化。干細(xì)胞是細(xì)胞更新和組織修復(fù)的基礎(chǔ)。一種組織的成體干細(xì)胞傾向于分化成該組織的各種細(xì)胞，但特定條件下，可分化成其它組織的功能細(xì)胞，稱為轉(zhuǎn)分化或橫向分化。高度分化的細(xì)胞不再分裂，對(duì)電離輻射敏感性低，而各種干細(xì)胞則不然。,四、細(xì)胞分化和增殖的關(guān)系,增殖信號(hào)和分化信號(hào)同時(shí)作用于干細(xì)胞，表現(xiàn)為邊分化邊增殖（反之亦然）；增殖和分

18、化分別獨(dú)立進(jìn)行，一些干細(xì)胞只增殖不分化，另一些同類干細(xì)胞進(jìn)入終末分化；細(xì)胞分化與分裂平行進(jìn)行，干細(xì)胞進(jìn)行不對(duì)稱分裂，產(chǎn)生的子細(xì)胞一個(gè)保持原有干細(xì)胞特性，一個(gè)則進(jìn)入終末分化。,五、細(xì)胞分化的影響因素,眾多的內(nèi)外因素，形成“網(wǎng)絡(luò)”。（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）,1 神經(jīng)細(xì)胞質(zhì) 神經(jīng)細(xì)胞 2 脊索細(xì)胞質(zhì) 脊

19、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,以蛙為例：,3,1,2,5,4,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,蛙卵,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。,（二）細(xì)胞核的作用在細(xì)胞分化中，細(xì)胞核

20、起著重要或決定性的作用。遺傳物質(zhì)決定性狀，而遺傳物質(zhì)位于細(xì)胞核內(nèi)。 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。,,,（三）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。,影響細(xì)胞分化的外在因素１、細(xì)胞相互作用誘導(dǎo)細(xì)胞分化（1）胚胎誘導(dǎo),胚胎誘導(dǎo) （embryonic in

21、duction）在胚胎發(fā)育過程中，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為胚胎誘導(dǎo)。,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)胞稱誘導(dǎo)者（inductor），接受誘導(dǎo)的組織或細(xì)胞稱為反應(yīng)者。,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

22、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)。,脊索中胚層,外胚層,,,神經(jīng)板,神經(jīng)管,前腦-視杯,外胚層,晶狀體,外胚層,角膜,,,,,,,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: 多肽類：與膜受

23、體結(jié)合 第二信使調(diào)節(jié)基因活動(dòng) 　 甾類： 與胞內(nèi)受體結(jié)合 調(diào)節(jié)基因活動(dòng),例. 昆蟲的保幼激素和脫皮激素，兩者保持一定的比例時(shí)，幼蟲脫皮而長(zhǎng)大；當(dāng)保幼激素含量減少時(shí)，幼蟲化蛹，成蟲器官發(fā)育。成蟲期又開始合成保幼激素，促進(jìn)性腺發(fā)育。,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

24、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(xì)胞可被誘導(dǎo)向正常細(xì)胞分化,細(xì)胞分化機(jī)制：autonomous mechanism：胚胎發(fā)育的早期細(xì)胞分裂由受精卵中的細(xì)胞質(zhì)控制，不涉及細(xì)胞通信。inductive mechanism：隨著胚胎發(fā)育的進(jìn)行細(xì)胞之間主要通過信號(hào)系統(tǒng)協(xié)調(diào)分裂、分化和細(xì)胞的行為。細(xì)胞的分化命運(yùn)主要取決于：細(xì)胞的內(nèi)部特性，外部環(huán)境。,卵細(xì)胞具有極性，細(xì)胞核靠近北極。卵細(xì)胞中貯存有大量mRNA，

25、是母源基因的產(chǎn)物，維持卵細(xì)胞和早期胚胎代謝；呈非均勻分布，決定胚胎發(fā)育的圖式（pattern）。合子基因在卵裂后期才發(fā)揮作用。,,一、細(xì)胞分裂的不對(duì)稱性,用放線菌素D處理海膽受精卵，胚胎發(fā)育能進(jìn)行至囊胚期；嘌呤霉素處理，受精卵停止發(fā)育。卵裂后的細(xì)胞質(zhì)特性決定了子細(xì)胞的分化命運(yùn)。,二、分化抑制,分化成熟的細(xì)胞可以產(chǎn)生“抑素”，抑制相鄰細(xì)胞發(fā)生同樣的分化。如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?！耙炙亍?是TG

26、F-β家族的成員。如 myostatin是肌肉生長(zhǎng)的負(fù)調(diào)控因子， GDF11（Wu等2003）通過上調(diào)細(xì)胞周期抑制因子p27抑制神經(jīng)組織生長(zhǎng)。,Mouse myostatin mutant (right),Double-muscled mouse,Function of the myostain,The so called chalone is the protein belonging to TGF-β family, such as

27、 myostain,Belgian Blue bull——Double-muscled cattle,三、細(xì)胞數(shù)量效應(yīng),例1. 小鼠胚胎胰腺原基在體外培養(yǎng)，可發(fā)育成胰腺組織，如切成8小塊分別培養(yǎng)，則不能。再把分開的小塊合起來，又可形成胰腺組織。例2. Fisher（1967）將大量腫瘤細(xì)胞注射到小鼠肝臟門靜脈，小鼠很快死于腫瘤。只注射50個(gè)腫瘤細(xì)胞時(shí)，小鼠正常生存，手術(shù)檢查未發(fā)現(xiàn)任何腫瘤。術(shù)后關(guān)腹飼養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)小鼠很快死于肝腫瘤。,四、細(xì)

28、胞外基質(zhì)的影響,ECM能與細(xì)胞表面的整合素相互作用，激活粘著斑激酶（FAK），F(xiàn)AK可以通過接頭蛋白Grb2啟動(dòng)Ras信號(hào)途徑，引起細(xì)胞增殖。干細(xì)胞在IV型膠原和層粘連蛋白上形成上皮細(xì)胞；在I型膠原和纖粘連蛋白上分化為成纖維細(xì)胞；在II型膠原及軟骨粘連蛋白上發(fā)育為軟骨細(xì)胞。,五、細(xì)胞核與細(xì)胞分化,染色體結(jié)構(gòu)的變化:1. 基因刪除：原生動(dòng)物、節(jié)肢動(dòng)物。2 . 基因擴(kuò)增：多線染色體、爪蟾卵母細(xì)胞rDNA。3 . 基因重排：如Ig基因

29、(106~108種抗體)。4 . DNA甲基化與異染色質(zhì)化：基因失活。,成體中的細(xì)胞分化,①已存在的細(xì)胞功能由弱、強(qiáng)、減退到喪失。經(jīng)歷新生→成熟→衰老→死亡的過程，如表皮細(xì)胞。②已有的分化細(xì)胞通過分裂產(chǎn)生兩個(gè)功能相同的細(xì)胞，如血管內(nèi)皮細(xì)胞。③干細(xì)胞的分裂與分化，如多能造血干細(xì)胞。,再生,廣義來看再生是生命的普遍現(xiàn)象，從分子、細(xì)胞到組織器官都具有再生現(xiàn)象。1. 生理性再生：即細(xì)胞更新，如人的紅細(xì)胞。2.