細(xì)胞分化干細(xì)胞細(xì)胞生物學(xué)

1、細(xì)胞分化與干細(xì)胞,Human cells：Number：1014 cells, >200 cell types,細(xì)胞分化,Question1：受精卵是如何發(fā)育成一個(gè)人的？,受精卵是如何發(fā)育成具有不同功能的組織器官的？,,在個(gè)體發(fā)育過程中，后代細(xì)胞間在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能上發(fā)生穩(wěn)定性差異的過程。細(xì)胞分化是多細(xì)胞有機(jī)體發(fā)育的基礎(chǔ)與核心。,細(xì)胞分化 (cell differentiation),（一）細(xì)胞分化表現(xiàn)為細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)

2、發(fā)生穩(wěn)定性差異。,----穩(wěn)定，與功能相適應(yīng),一、 細(xì)胞分化的基本特征,,（二）細(xì)胞分化的時(shí)空性。,*遺傳穩(wěn)定性：果蠅成蟲盤細(xì)胞的移植實(shí)驗(yàn)　*決定制約著細(xì)胞分化的方向,果蠅成蟲盤細(xì)胞的移植實(shí)驗(yàn),細(xì)胞決定實(shí)驗(yàn)示意圖,細(xì)胞分化的有序性,單細(xì)胞生物：時(shí)間性多細(xì)胞生物：時(shí)間性＋空間性,（三）細(xì)胞分化的可逆性——去分化與轉(zhuǎn)分化,去分化 (dedifferentiation),在特定條件的誘導(dǎo)下，高度分化的細(xì)胞可以失去特有的結(jié)構(gòu)和功能，變?yōu)榫?/p>

3、有未分化細(xì)胞的特性。這種現(xiàn)象叫做去分化。,轉(zhuǎn)分化 (transdifferentiation),從一種特化細(xì)胞類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類型的分化細(xì)胞的現(xiàn)象。,（四）個(gè)體發(fā)育中細(xì)胞分化的潛能性,1、細(xì)胞發(fā)育潛能在發(fā)育過程中逐漸變窄,,,,單個(gè)細(xì)胞在一定條件下具有分化發(fā)育成完整個(gè)體的能力。,全能細(xì)胞（totipotent cell),多能細(xì)胞（pluripotent cell),分化潛能受限，失去發(fā)育成完整個(gè)體的能力，但仍具有發(fā)育成多種表型的能力。

4、,隨著細(xì)胞分化，細(xì)胞的分化潛能進(jìn)一步受到限制，只有分化形成某一類型細(xì)胞的能力。,穩(wěn)定型單能 (unipotency),因此，就其分化潛能來講，動(dòng)物細(xì)胞的全能性隨著細(xì)胞分化程度提高，而逐漸“變窄”，此為細(xì)胞分化的普遍規(guī)律。,,,,全能細(xì)胞,多能細(xì)胞,單能細(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,2、細(xì)胞生理狀態(tài)隨分化水平而變化,細(xì)胞的分裂能力細(xì)胞對環(huán)境因子的反應(yīng)性,高度分化的植物細(xì)胞仍具有全能性

5、，在適宜的條件下可培育成正常的植株。,證據(jù)一：,3、分化細(xì)胞細(xì)胞核的全能性,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。,,,證據(jù)二：動(dòng)物細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn),爪蟾核移植實(shí)驗(yàn),哺乳動(dòng)物核移植實(shí)驗(yàn)—“多莉”（Dolly）羊的誕生,紅細(xì)胞和肌細(xì)胞等體細(xì)胞的遺傳信息相同嗎？,紅細(xì)胞,,血紅蛋白

6、基因開啟,合成血紅蛋白,肌細(xì)胞,,肌動(dòng)蛋白基因開啟,合成肌動(dòng)蛋白,細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)是細(xì)胞按照一定程序發(fā)生的差別基因表達(dá),二、 細(xì)胞分化的調(diào)控,分子雜交技術(shù)檢測基因及其表達(dá),不同類型的細(xì)胞在發(fā)育過程中表達(dá)一套特異的基因，其產(chǎn)物不僅決定細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)，而且執(zhí)行各自的生理功能。,又稱組織特異性基因(tissue-specific genes)指不同的細(xì)胞類型進(jìn)行特異性表達(dá)的基因，其產(chǎn)物賦予各種類型細(xì)胞特異的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與特異的功能；如紅細(xì)

7、胞的血紅蛋白基因，皮膚的角蛋白基因。,管家基因(house-keeping gene)：,是指所有細(xì)胞中均要表達(dá)的一類基因，其產(chǎn)物是對維持細(xì)胞基本生命活動(dòng)所必需的；如核糖體蛋白，線粒體蛋白，膜蛋白、組蛋白。,奢侈基因(luxury gene),（一）細(xì)胞分化與差異基因表達(dá),細(xì)胞分化的基因表達(dá)調(diào)控可以發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、翻譯以及蛋白質(zhì)形成后活性修飾等不同水平，其中轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控最為重要。,--順式作用元件（包括啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子

8、），促進(jìn)基因 轉(zhuǎn)錄活性，調(diào)節(jié)基因的組織專一性表達(dá)。 --反式作用因子（又叫轉(zhuǎn)錄因子或調(diào)節(jié)蛋白），結(jié)合特異的順 式作用元件而激活基因的轉(zhuǎn)錄。 --包括轉(zhuǎn)錄激活和轉(zhuǎn)錄抑制兩方面。 -- DNA甲基化 -- 組蛋白的共價(jià)修飾,（二）差別基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控,DNA甲基化修飾主要與基因抑制有關(guān),人類胚胎紅細(xì)胞中珠蛋白基因的甲基化,基因活化蛋白引導(dǎo)的染色質(zhì)局部結(jié)構(gòu)改變,●轉(zhuǎn)錄后的加工調(diào)節(jié)●非編碼R

9、NA在細(xì)胞分化中的作用●基因重排和基因調(diào)控,在卵裂期間，不同的細(xì)胞質(zhì)組分被分配到不同類型的細(xì)胞內(nèi)，這些特殊的組分被稱為形態(tài)發(fā)生的決定子，它們支配細(xì)胞分化的途徑。,（一）細(xì)胞核對細(xì)胞分化的影響,（二）細(xì)胞質(zhì)對細(xì)胞分化的影響,? 細(xì)胞核內(nèi)基因選擇性表達(dá),三、 細(xì)胞分化的影響因素,指一部分細(xì)胞對其鄰近細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生影響，并決定其分化方向。胚胎誘導(dǎo)是胚胎形成中有序分化的重要因素如眼的形成。,（三）細(xì)胞相互作用對分化的影響,,在細(xì)胞生物中

10、，細(xì)胞間相互作用對細(xì)胞分化有較大影響。,1. 細(xì)胞誘導(dǎo)（induction）,多級誘導(dǎo)：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,,,,,,,,,在胚胎發(fā)育中，分化的細(xì)胞受到

11、鄰近細(xì)胞產(chǎn)生的抑制物影響，其作用與誘導(dǎo)相對。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。用含成體蛙腦組織碎片的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚，也不產(chǎn)生正常的腦，說明，已分化的細(xì)胞可以產(chǎn)生抑制鄰近細(xì)胞進(jìn)行同樣的分化的物質(zhì)，使發(fā)育的器官之間相互區(qū)別而避免重復(fù)發(fā)生。,2. 細(xì)胞抑制,3. 細(xì)胞粘附分子對細(xì)胞分化的作用,細(xì)胞粘合是由于同類細(xì)胞可以通過表面細(xì)胞粘附因子，進(jìn)行相互識別、黏著、聚集并相互作用，這有利于形態(tài)發(fā)生以及正常結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

12、和維持。,如：將蠑螈的原腸胚三個(gè)胚層的游離細(xì)胞體外混合培養(yǎng)，各胚層細(xì)胞又將自我挑選，相互黏著，依然形成外胚層在外，內(nèi)胚層在內(nèi)，中胚層介于二者之間的胚胎。,2.遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)激素是遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)細(xì)胞分化的信息分子。特點(diǎn)：靶細(xì)胞的特異性；激素作用的高效性；如：蝌蚪變態(tài)過程中，尾部退化及前肢形成是由于甲狀腺分泌的甲狀腺素和三碘甲狀腺氨基酸的分泌增加所致。如：卵巢產(chǎn)生雌激素，促進(jìn)雌性第二性征的發(fā)育分化。,（四）信號分子對分化的影響,（五）環(huán)境

13、因素對分化的影響,1.相鄰細(xì)胞通過細(xì)胞旁分泌產(chǎn)生的信號分子來實(shí)現(xiàn)的。如，成纖維細(xì)胞生長因子，轉(zhuǎn)化生長因子，Wnt家族等。,腫瘤細(xì)胞是生物體內(nèi)的正常細(xì)胞演變而來的。從細(xì)胞分化的觀點(diǎn)分析腫瘤，可認(rèn)為，細(xì)胞癌變是細(xì)胞分化領(lǐng)域中的一個(gè)特殊問題, 腫瘤細(xì)胞是正常細(xì)胞分化機(jī)制失控造成的。細(xì)胞癌變是細(xì)胞去分化的結(jié)果。癌細(xì)胞和胚胎細(xì)胞具有很多相似的特性。例：甲胎蛋白,四、 細(xì)胞分化與腫瘤,傳統(tǒng)的治療方法，外科手術(shù)切除／化學(xué)療法和放射性治療都是殺

14、傷性治療。研究表明腫瘤細(xì)胞可以在高濃度的分化信號作用下，被誘導(dǎo)分化為正常細(xì)胞。如，應(yīng)用維甲酸治療早幼粒細(xì)胞白血病的誘導(dǎo)分化治療取得了大批病例的成功.提示了腫瘤治療的一個(gè)新方向。,腫瘤細(xì)胞經(jīng)誘導(dǎo)分化后可以“改邪歸正”,思考題管家基因、奢侈基因什麼是細(xì)胞分化？有那些具體特征？細(xì)胞分化的影響因素有那些？為什么說在發(fā)育過程中細(xì)胞的潛能逐漸變窄？,在個(gè)體成熟之后，機(jī)體的組織仍然保持著一種特有的自穩(wěn)性。即在特定組織中細(xì)胞的死亡和細(xì)胞的增

15、生的速度會(huì)維持著一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。各種組織還保持著程度不同的損傷后再生的能力，如兩棲類動(dòng)物、哺乳動(dòng)物的造血系統(tǒng)，小腸，毛發(fā)及皮膚等。,干細(xì)胞,是一類具有自我更新和多向分化潛能的細(xì)胞，它存在于人體或者動(dòng)物個(gè)體發(fā)育各個(gè)階段的組織器官中，是各種分化細(xì)胞或特化細(xì)胞的初始來源。,干細(xì)胞,,按來源分類,,,按分化潛能分類,,一、干細(xì)胞的分類,,處于8細(xì)胞之前的每一個(gè)胚胎細(xì)胞都具有全能性，將任意細(xì)胞移入子宮，都可以發(fā)育為一個(gè)完整個(gè)體。稱為全能干細(xì)胞。

16、,全能干細(xì)胞,隨著發(fā)育的進(jìn)行，形成胚泡，胚泡一側(cè)的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)具有分化為成熟個(gè)體中所有細(xì)胞類型的潛能，但沒有形成完整個(gè)體的能力，稱為多能干細(xì)胞，也稱為胚胎干細(xì)胞。,隨著胚胎繼續(xù)發(fā)育，多能干細(xì)胞進(jìn)一步分化，其后代的分化潛能將進(jìn)一步變窄。只能向一種類型或密切相關(guān)的兩種類型的細(xì)胞分化。如神經(jīng)干細(xì)胞只具有分化為神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的潛能。,多能干細(xì)胞,專能干細(xì)胞,干細(xì)胞是具有強(qiáng)大增殖潛能的原始細(xì)胞。細(xì)胞通常呈圓形或橢圓形，體積較小。核質(zhì)比相對較大

17、。細(xì)胞中各種細(xì)胞器不夠發(fā)達(dá)等。有比較高的端粒酶活性。,二、干細(xì)胞的形態(tài)和生化特點(diǎn),不同的干細(xì)胞具有各異的生化標(biāo)志，對于確定干細(xì)胞的位置，尋找和分離干細(xì)胞有重要意義。如：角蛋白15是確定毛囊中表皮干細(xì)胞的標(biāo)志分子，巢素蛋白是神經(jīng)干細(xì)胞的標(biāo)志分子。本質(zhì)特點(diǎn)：具有增殖和自我更新能力，在適當(dāng)條件下表現(xiàn)出分化潛能。,對稱分裂：干細(xì)胞分裂產(chǎn)生的兩個(gè)子細(xì)胞都是干細(xì)胞（增殖，自我更新）或都是分化細(xì)胞（分化）。不對稱分裂：干細(xì)胞分裂產(chǎn)生一個(gè)子代干

18、細(xì)胞（自我更新）和一個(gè)子代分化細(xì)胞（分化）。,A：干細(xì)胞的不對稱分裂 (asymmetry division),B：干細(xì)胞群體的不對稱分裂(populational asymmetry division),干細(xì)胞的增殖分化和自我更新方式：,1. 干細(xì)胞增殖的緩慢性干細(xì)胞進(jìn)入分化程序前，要經(jīng)過一個(gè)短暫增殖期，產(chǎn)生過渡放大細(xì)胞。過渡放大細(xì)胞是界于干細(xì)胞和分化細(xì)胞之間的過渡細(xì)胞，經(jīng)若干次分裂后產(chǎn)生分化細(xì)胞，其作用是可以通過較少的干

19、細(xì)胞產(chǎn)生較多的分化細(xì)胞。,緩慢增殖的生理意義可減少基因發(fā)生突變的危險(xiǎn)；有利于干細(xì)胞對環(huán)境信號作出反應(yīng)。,三、 干細(xì)胞的增殖特征,2.干細(xì)胞增殖系統(tǒng)的自穩(wěn)定性自穩(wěn)定性是指干細(xì)胞可以在生物個(gè)體生命區(qū)間中自我更新并維持其自身數(shù)目的恒定。,干細(xì)胞的分化潛能（全能－多能－專能）胚胎干細(xì)胞的亞全能分化特性成體干細(xì)胞的多全能分化特性區(qū)別于前體細(xì)胞干細(xì)胞具有可塑性，在適當(dāng)條件下干細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化和去分化。 干細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化：一種組織類型的

20、干細(xì)胞在適當(dāng)條件下分化為另一種組織類型細(xì)胞的現(xiàn)象。如人的骨髓干細(xì)胞可以分化為肝臟細(xì)胞、肌肉細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等。 干細(xì)胞的去分化：一種干細(xì)胞向其前體細(xì)胞的逆向轉(zhuǎn)化。,四、干細(xì)胞的分化特征,分泌因子：許多分泌因子對干細(xì)胞的生存、增殖和分化具有重要調(diào)控作用。受體介導(dǎo)的細(xì)胞間相互作用整合素和胞間基質(zhì),干細(xì)胞的增殖分化是受到嚴(yán)密調(diào)控的。,五、干細(xì)胞增殖與分化的分子調(diào)控,2. 它在組織器官中所處是微環(huán)境。這種微環(huán)境稱為干細(xì)胞巢。,內(nèi)源因素。

21、 OCT4、Nanog、 Sox2以及端粒酶。,胚胎干細(xì)胞,胚胎干細(xì)胞：來源于胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán) (ICM)和原始生殖細(xì)胞, 具有發(fā)育全能性(具有分化發(fā)育成三個(gè)胚層細(xì)胞的潛力)的細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞可以在體外無限擴(kuò)增并保持未分化狀態(tài)，具有分化為胎兒或成體動(dòng)物各種細(xì)胞類型的潛能。在適當(dāng)條件下胚胎干細(xì)胞可被誘導(dǎo)分化為多種細(xì)胞。,,ES細(xì)胞（embryonic stem cell）： 來源于囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán),EG細(xì)胞（embryonic ger

22、m cell）： 來源于早期胎兒生殖嵴部位原始生殖干細(xì)胞,EC細(xì)胞（embryonic carcinoma）： 來源于畸胎瘤,胚胎干細(xì)胞分類,,(1) 發(fā)育良好的囊胚，從中分離內(nèi)細(xì)胞群細(xì)胞?ES細(xì)胞(2) 從5-9周的胚胎生殖腺中分離出人的EG細(xì)胞 (3)惡性胚胎腫瘤或畸胎瘤細(xì)胞(4) 體細(xì)胞核移植： 去核卵細(xì)胞 + 體細(xì)胞核 ?克隆 ?囊胚 ?分離內(nèi)細(xì)胞群 ?ES細(xì)胞(5) 轉(zhuǎn)基因誘導(dǎo)重編程：誘導(dǎo)型多能干細(xì)胞（iPS),

23、1. 移植治療：很多疾病或病癥（如帕金森病、糖尿病創(chuàng)傷性脊髓損傷等）都可以通過移植人的分化的ES細(xì)胞得到治愈。2. 其它應(yīng)用潛能：可用于研究目前無法解釋的人類早期發(fā)育引起的先天性缺陷和胎盤異動(dòng)導(dǎo)致的自然流產(chǎn)；可用于毒性篩選；能用于共同治療互補(bǔ)。,人胚胎干細(xì)胞的應(yīng)用潛能,精原干細(xì)胞,精原干細(xì)胞(spermatogonial stem cells, SSCs)是雄性生殖系干細(xì)胞，位于睪丸曲細(xì)精管基膜上，既具有自我更新潛能，又具有定向分化潛

24、能，是自然狀態(tài)下出生后動(dòng)物體內(nèi)在整個(gè)生命期間進(jìn)行自我更新并能將基因傳遞至子代的唯一成體干細(xì)胞。,成體干細(xì)胞,在成體組織器官中，許多細(xì)胞仍具有自我更新及分化產(chǎn)生不同組織細(xì)胞的能力。成體干細(xì)胞是在成體組織內(nèi)具有自我更新能力及能分化產(chǎn)生一種或一種以上子代組織細(xì)胞的未成熟細(xì)胞。,幾種成體干細(xì)胞,是骨髓中一種能起著造血功能的細(xì)胞。人血中的紅細(xì)胞、血小板、淋巴細(xì)胞、粒細(xì)胞等,都是由它經(jīng)過多次分化發(fā)育而成的。利用造血干細(xì)胞移植治療的疾病很多。如

25、腫瘤性疾?。喊籽?；以及非腫瘤性疾病：再生障礙性貧血，重癥免疫缺陷病，急性放射病，地中海貧血等。,造血干細(xì)胞,神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cells，NSCs) 其存在推翻了神經(jīng)元無法再生的傳統(tǒng)觀點(diǎn),神經(jīng)干細(xì)胞移植手術(shù)有望讓桑蘭重新站起來(圖),,神經(jīng)干細(xì)胞是神經(jīng)系統(tǒng)中能夠增殖分化成神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的特定原始神經(jīng)細(xì)胞。目前已在哺乳動(dòng)物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)多個(gè)部位發(fā)現(xiàn)并分離出神經(jīng)干細(xì)胞。對治療帕金森氏病、Huntington病

26、、腦、脊髓損傷等, 神經(jīng)系統(tǒng)疾病到來了希望。,具有分化為間質(zhì)細(xì)胞的潛能，可以分化為多種間充質(zhì)組織，如骨、關(guān)節(jié)、脂肪、肌肉、骨髓基質(zhì)。在體外容易被誘導(dǎo)為成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞，因此在骨損傷，骨組織畸形治療方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。,間充質(zhì)干細(xì)胞,其他成體干細(xì)胞,皮膚干細(xì)胞維持機(jī)體體表屏障的動(dòng)態(tài)平衡小腸干細(xì)胞位于小腸內(nèi)腔面隱窩深處角膜干細(xì)胞維持了角膜上皮的更新和再生。肝干細(xì)胞具有分化為肝細(xì)胞和膽管上皮細(xì)胞的潛能。,干細(xì)胞的應(yīng)用研究,1.胚胎