細(xì)胞分化-細(xì)胞生物學(xué)知識(shí)點(diǎn)

1、細(xì)胞分化-細(xì)胞生物學(xué)知識(shí)點(diǎn)一、概念二、細(xì)胞分化的物質(zhì)基礎(chǔ)和特點(diǎn)三、細(xì)胞分化的可逆性和全能性四、細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)五、細(xì)胞分化的機(jī)理六、影響細(xì)胞分化的因素七、癌細(xì)胞 一、概念細(xì)胞分化（cell differentiation）是一種類型的細(xì)胞在形態(tài)結(jié)構(gòu)生理功能和生化特性等方面穩(wěn)定地轉(zhuǎn)變成另一類型細(xì)胞的過程。黑色素細(xì)胞體外培養(yǎng)三十多代多細(xì)胞生物中細(xì)胞分化發(fā)生于整個(gè)生活史中，但胚胎期是最重要的分化期細(xì)胞分化發(fā)生于一切真核細(xì)胞中，并可追溯到原核細(xì)胞二、細(xì)胞分化的物質(zhì)基礎(chǔ)和特點(diǎn)(一)細(xì)胞分化的物質(zhì)基礎(chǔ)新的性狀=新的蛋白質(zhì)（二）細(xì)胞分化的特點(diǎn)1、決定性 在能識(shí)別一個(gè)細(xì)胞的分化以前，就有了一個(gè)預(yù)先保證細(xì)胞怎樣變

2、化的時(shí)期，這個(gè)階段稱為細(xì)胞決定（cell determination）。如動(dòng)物受精卵的卵裂（動(dòng)物極，植物極）（1）細(xì)胞決定的穩(wěn)定性和遺傳性 成蟲盤細(xì)胞 9年，1800代后將成蟲盤取出再移到幼蟲體內(nèi)，當(dāng)幼蟲變態(tài)時(shí)被移植的成蟲盤細(xì)胞仍發(fā)育成相應(yīng)的成體結(jié)構(gòu)。 a、正常果蠅的觸角為具芒觸角；b、突變果蠅的觸角發(fā)育為足 引自Lehninger Principles of Biochemistry 3rd ed. （2）轉(zhuǎn)決定（transdetermination） 即決定的細(xì)胞改變了原來的預(yù)定發(fā)育方向，使細(xì)胞分化的結(jié)果偏離決定方向，也就是從一種遺傳狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種遺傳狀態(tài)稱為轉(zhuǎn)決定轉(zhuǎn)決定的發(fā)生是遺傳性突

3、變的結(jié)果，它是一群細(xì)胞而不是單一細(xì)胞發(fā)生變化。轉(zhuǎn)決定的細(xì)胞：其它類型（同源異形）或原初狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。2、時(shí)空性 “時(shí)”=不同的發(fā)育階段 “空”=環(huán)境3、不可逆性 一個(gè)細(xì)胞一旦分化成穩(wěn)定類型以后，就不能逆轉(zhuǎn)到未分化狀態(tài)。如哺乳動(dòng)物高度分化的成熟紅細(xì)胞不會(huì)再返回到有核的前體細(xì)胞。有機(jī)體常保留一部分未分化的多能性干細(xì)胞，可用來彌補(bǔ)失去的可逆性，一旦需要，干細(xì)胞即進(jìn)行分裂，新細(xì)胞按發(fā)育途徑產(chǎn)生專一的分化細(xì)胞。三、細(xì)胞分化的可逆性和全能性細(xì)胞分化絕對(duì)是不可逆的？1958 Steward：分化的細(xì)胞脫分化（dedifferentiation）胚性細(xì)胞的狀態(tài)再分化（redifferentiation） 根莖完

4、整植株，與胚胎發(fā)育過程相似。細(xì)胞全能性（totipotency）指已經(jīng)分化的細(xì)胞在一定條件下不僅能脫分化，而且還保持著全套基因組織，并且有再生生物體的遺傳潛力。1964年Guha等培養(yǎng)毛葉曼陀羅的花藥產(chǎn)了單倍體花粉植物，動(dòng)物細(xì)胞也能象植物細(xì)胞那樣脫分化而再生新的肢體，如蠑螈在切除肢體后可再生。(一)植物細(xì)胞全能性已被廣泛用于生產(chǎn)實(shí)踐中，現(xiàn)已培養(yǎng)出一大批包括水稻、小麥、煙草、苗木、花卉等。（二）動(dòng)物細(xì)胞的全能性受精卵能夠分化出各種細(xì)胞、組織，形成一個(gè)完整的個(gè)體。隨著分化發(fā)育的進(jìn)程，細(xì)胞逐漸喪失其分化潛能。細(xì)胞分化潛能 的改變?nèi)苄裕╰otipotent）多能性（pluripotency)單能性（

5、monopotency)終末分化（terminal differentiation)1全能性細(xì)胞 僅在低等動(dòng)物中存在或高等動(dòng)物在胚胎發(fā)育的早期。2全能性細(xì)胞核 現(xiàn)在的技術(shù)手段還不能使已分化的高等動(dòng)物細(xì)胞直接再生成完整個(gè)體，但許多研究證明已分化的細(xì)胞核仍保持著全套基因組并在一定條件下可具有全能性。Gurdon（62，74，75）用非洲爪蟾為材料進(jìn)行核移植，證明了已分化細(xì)胞核仍保持著全套的基因組。童第周1978曾報(bào)導(dǎo)將黑斑蛙的紅細(xì)胞核移入去核的黑斑蛙的卵，核即分裂，卵發(fā)育成正常蝌蚪，血細(xì)胞核變成各種有功能的細(xì)胞核。 1997年克隆羊的誕生（Wilmut）說明高度分化的細(xì)胞核仍具有全能性 3不可逆的

6、分化細(xì)胞 哺乳動(dòng)物的紅細(xì)胞成熟后失核，馬副蛔蟲體細(xì)胞染色體消減（染色體失去達(dá)80）等屬此類。具有相同基因組成的細(xì)胞為什么會(huì)出現(xiàn)不同的性狀呢？肌細(xì)胞：收縮性蛋白質(zhì)紅細(xì)胞：血紅蛋白四、細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)細(xì)胞分化歸根到底在于特定基因的表達(dá)即細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)（本質(zhì)）是基因表達(dá)的調(diào)控問題。differentiation Process usually involving changes in gene expression by which a precursor cell becomes a distinct specialized cell type（一）基因的差次表達(dá)（differential expr

7、ession，順序表達(dá)sequential） 胚胎在發(fā)育過程中之所以相繼出現(xiàn)新的細(xì)胞類型是由于有關(guān)的特定基因按照一定順序相繼活化的結(jié)果，這種現(xiàn)象稱基因的差次表達(dá)。 （二）奢侈基因與管家基因1奢侈基因（luxury gene） 指與各種分化的特殊性狀有直接關(guān)系的基因，是編碼組織特異性蛋白的基因，對(duì)細(xì)胞生存無多大影響。如血紅蛋白、絲心蛋白的基因。其特點(diǎn)是：（1）在特定的分化細(xì)胞中表達(dá)；（2）只在特定的時(shí)間內(nèi)表達(dá)；（3）對(duì)細(xì)胞的生存無直接影響；（4）對(duì)細(xì)胞的分化起決定性作用。2管家基因（housekeeping gene） 指維持細(xì)胞最低限度的生命活動(dòng)所不可缺少的基因，是細(xì)胞生存所必須的。如編碼與細(xì)

8、胞分裂及能量代謝有關(guān)的蛋白質(zhì)的基因，其特點(diǎn)是：（1）所有細(xì)胞共有；（2）細(xì)胞周期的任何時(shí)期都表達(dá)；（3）對(duì)細(xì)胞分化只起協(xié)助作用。管家基因與奢侈基因的拷貝數(shù)？重復(fù)基因（repeated or duplicated gene）非重復(fù)基因（unrepeated or unique gene）重復(fù)106以上稱為高度重復(fù)，如隨體DNA，1025中度重復(fù) rRNA、tRNA、5sRNA的基因。非重復(fù)基因，重復(fù)次數(shù)102以下，如絲心蛋白的基因。管家基因=中度重復(fù)；奢侈基因=非重復(fù)基因，但有例外如羽毛角蛋白的基因100240。五、細(xì)胞分化的機(jī)理 （一）細(xì)胞分化與基因本身的變化分化的細(xì)胞或核具有全能性為何致癌病

9、毒基因整合到宿主細(xì)胞引起細(xì)胞癌變，說明基因本身的變化與細(xì)胞分化有一定關(guān)系，現(xiàn)認(rèn)為基因活性的變化與DNA的甲基化和DNA重排有關(guān)。（二）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)錄控制(transcriptional control)是真核生物控制基因表達(dá)的重要調(diào)控方式，通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控，使基因在不同組織中進(jìn)行差異表達(dá)。如何判斷兩種組織中差異蛋白的來源?轉(zhuǎn)錄調(diào)控的實(shí)驗(yàn)證據(jù)：組織特異性mRNA。 1唾腺染色體 疏松區(qū)和Puff位置的變化說明細(xì)胞分化過程中染色體的基因按照一定順序進(jìn)行差次表達(dá)，什么因素導(dǎo)致基因的開關(guān)轉(zhuǎn)錄出不同的mRNA？2染色質(zhì)重組實(shí)驗(yàn) Gilmour和paul取兔子胸腺和骨髓細(xì)胞的染色質(zhì)分別分離出DNA、非組

10、Pr和組Pr，用重組的染色質(zhì)作模板，加入RNA聚合酶和各種前體核苷酸就可合成RNA結(jié)果如下：（1）未分離的胸腺染色質(zhì)能合成胸腺mRNA（2）未分離的骨髓染色質(zhì)能合成骨髓mRNA （3）重組的胸腺染色質(zhì)能合成胸腺mRNA（4）重組的骨髓染色質(zhì)能合成骨髓mRNA （5）骨髓DNA組Pr胸腺DNA組Pr胸腺非組蛋白重組后合成胸腺mRNA（6）骨髓DNA組Pr胸腺DNA組Pr骨髓非組蛋白重組后合成骨髓mRNA 染色體重組實(shí)驗(yàn)表明，非組蛋白與基因選擇性表達(dá)的調(diào)節(jié)密切相關(guān)，特異的非組Pr可能決定相應(yīng)的特定基因的轉(zhuǎn)錄，即調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄過程中的調(diào)控因素是非組Pr。但也有人證明mRNA是基因表達(dá)的激活因素（牛滿江19

11、70，孵化1618小時(shí)的雞胚切成兩半，放在生理鹽水中或心臟的mRNA中浸泡后培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)在生理鹽水中浸泡過的雞胚發(fā)育正常，而心臟mRNA浸過的心臟發(fā)育特大，而其它均發(fā)育不良，故牛滿江認(rèn)為心臟的mRNA激活了心肌的基因表達(dá)）。3.組蛋白轉(zhuǎn)移模型（histone displacement model）Stein 1975年提出組蛋白轉(zhuǎn)移模型：組蛋白與DNA鏈結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)錄，非組蛋白在一定的部位與DNA結(jié)合，它發(fā)生磷酸化帶上負(fù)電荷，即與帶正電荷的組蛋白牢固結(jié)合而使DNA裸露（結(jié)合物從DNA上離開）使此部位DNA發(fā)生轉(zhuǎn)錄。組蛋白能使基因的轉(zhuǎn)錄過程關(guān)閉，而非組蛋白則能有選擇地使基因的轉(zhuǎn)錄過程打開。這只是大

12、概的認(rèn)識(shí)有許多細(xì)節(jié)不能解釋清楚：如非組蛋白種類很多，那種非組蛋白調(diào)節(jié)哪種基因的轉(zhuǎn)錄？組蛋白被包圍在核小體內(nèi)在轉(zhuǎn)錄時(shí)怎樣使其脫離？而非組蛋白也是受基因編碼的，其調(diào)節(jié)如何都有待進(jìn)一步研究。 （三）轉(zhuǎn)錄后調(diào)控 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控指mRNA的后加工及其降解。1簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)錄本的加工 2復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄本的加工（四）翻譯（轉(zhuǎn)譯）水平的調(diào)節(jié) 細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行的轉(zhuǎn)譯水平的調(diào)控包括:mRNA穩(wěn)定性的控制、翻譯起始的控制、翻譯效率、差別翻譯等。對(duì)于翻譯水平的調(diào)節(jié)目前有的實(shí)驗(yàn)表明分化細(xì)胞內(nèi)并無專門調(diào)節(jié)mRNA翻譯的機(jī)制，而有些實(shí)驗(yàn)則揭示存在翻譯水平的調(diào)節(jié)。1Gurdon（1971）把兔、小鼠、鴨等的血紅蛋白mRNA及牛晶體蛋白mRNA

13、分別注入非洲爪蟾的卵母細(xì)胞中，結(jié)果這些異體mRNA都很穩(wěn)定并翻譯成相應(yīng)的Pr，說明非洲爪蟾卵母細(xì)胞的轉(zhuǎn)譯機(jī)構(gòu)無特異性。2Woodland（1974）把兔、小鼠的血紅蛋白的mRNA注射到非洲爪蟾的受精卵，發(fā)現(xiàn)這些mRNA穩(wěn)定，并在第八天（蝌蚪期）發(fā)現(xiàn)有兔、小鼠的血紅蛋白，它存在于蝌蚪的任一組織內(nèi)，包括肌肉。說明異源mRNA穩(wěn)定并在分化的細(xì)胞中也可表達(dá)，這說明分化細(xì)胞內(nèi)并無專門控制某種mRNA轉(zhuǎn)譯的機(jī)制。3童第周和牛滿江（1975） 鯽金魚 鯉金魚4翻譯效率 兔紅細(xì)胞前體中提取mRNA，它們含有大量的、鏈合成的mRNA，注入蛙卵母細(xì)胞，鏈合成約為鏈5倍（5:1）似乎在卵蛙母細(xì)胞中mRNA轉(zhuǎn)譯效率高

14、，可是把血紅素一塊注射蛙卵母細(xì)胞中，、產(chǎn)量相同.說明血紅素可能通過影響轉(zhuǎn)譯的速度而對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行某種調(diào)控。5卵母細(xì)胞的翻譯調(diào)控 在許多脊椎動(dòng)物和無脊椎動(dòng)物的未受精卵細(xì)胞質(zhì)中貯存許多mRNA，但它們大部分不用來翻譯，只有受精后才能翻譯。受精引起新的mRNA合成?放線菌素D(actinomycin D)=RNA合成抑制劑關(guān)于其活化機(jī)理推測(cè)是受精前被蛋白質(zhì)遮蓋或局限在某特定部位不轉(zhuǎn)譯，受精后擺脫束縛才轉(zhuǎn)譯。這些貯存在卵母細(xì)胞中沒有翻譯活性的mRNA常被稱作“隱蔽” mRNA(masked mRNA)，受精后mRNA從無活性到有活性狀態(tài)的轉(zhuǎn)變發(fā)生相當(dāng)快。這些預(yù)存mRNA的激活與兩個(gè)不同的事件有關(guān)：一是

15、結(jié)合的抑制蛋白被釋放，二是通過卵細(xì)胞質(zhì)中一種酶的作用使mRNA多聚(A)尾巴長(zhǎng)度增加。 （五）翻譯后調(diào)控 在真核生物中許多激素的合成都是以一個(gè)共同的前體合成的，稱為聚蛋白，然后切割成不同的蛋白質(zhì)。但是在不同的組織中，切割的方式是不同的，因此相同的基因在不同的組織中合成不同的激素蛋白。例如多肽蛋白阿黑皮素原(pro-opiomelanocortin POMC)的合成就是一例 一、概念二、細(xì)胞分化的物質(zhì)基礎(chǔ)和特點(diǎn) 基礎(chǔ)是新的蛋白質(zhì)的產(chǎn)生 特點(diǎn)是（1）決定性（2）時(shí)空性（3）不可逆性 三、細(xì)胞分化的可逆性和全能性四、細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì) 奢侈基因的表達(dá)五、細(xì)胞分化的機(jī)理 5層次或者說3水平課后閱讀資料：1.克隆羊多莉前世今生2.世界上首只克隆羊多利被執(zhí)行“安樂死”3.Viable