醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué) 第9講細(xì)胞分化(口腔、醫(yī)實(shí)、醫(yī)檢適用)

細(xì)胞分化

CellDifferentiation基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)系

1內(nèi)容要求掌握細(xì)胞分化的概念、指標(biāo)及特點(diǎn)掌握細(xì)胞分化潛能的類型掌握細(xì)胞決定的概念2熟悉細(xì)胞分化的分子機(jī)制熟悉影響細(xì)胞分化的因素了解細(xì)胞分化與腫瘤之間的關(guān)系了解胚胎早期發(fā)育的過程3背景人用肉眼只能分辨相距0.1-0.2mm之間的兩個物體1665年，英國科學(xué)家Hooke利用光學(xué)顯微鏡觀察到植物細(xì)胞壁；1677年，荷蘭科學(xué)家觀察到人和哺乳動物的細(xì)胞。光學(xué)顯微鏡的分辨率為0.2um1931年，誕生了第一臺電子顯微鏡。目前電子顯微鏡的分辨率可達(dá)到10-10um45生物體(多個、多種細(xì)胞)受精卵(單細(xì)胞)細(xì)胞生長、增殖細(xì)胞分化細(xì)胞體積增大、數(shù)量增加形成不同類型細(xì)胞6實(shí)驗(yàn)路線

模式生物基因敲除自體/異體移植基因?qū)胗^察、分析現(xiàn)象，找出規(guī)律利用手術(shù)或藥物干擾動物的發(fā)育，從所導(dǎo)致的異常結(jié)果來推斷正常的作用性質(zhì)是闡明發(fā)育機(jī)制的主要途徑。78模式生物無脊椎動物：果蠅：易繁殖、成本低廉線蟲：秀麗隱桿線蟲------生命周期僅2.5天、細(xì)胞數(shù)目少易于追蹤。脊椎動物：

兩棲類：非洲爪蟾、蠑螈、蜥蜴------取卵方便魚類：斑馬魚------世代周期短（3個月）、胚胎透明鳥類：雞------胚胎發(fā)育與哺乳動物接近、雞胚在體外發(fā)育哺乳類：小鼠------胚胎發(fā)育與人類接近，世代周期僅2個月9哺乳動物早期發(fā)育期間細(xì)胞分化的主要階段受精卵桑椹胚囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)上皮滋養(yǎng)層神經(jīng)溝外胚層中胚層脊索內(nèi)胚層三胚層胚胎10基本概念桑椹胚：在8細(xì)胞時期胚胎發(fā)生緊密化，形成一個實(shí)心的球體。緊密化后的胚胎至32細(xì)胞時期稱為桑椹胚。11基本概念

囊胚（胚泡）：卵裂后期，桑椹胚體積進(jìn)一步增大，外周細(xì)胞分裂較快形成囊胚壁，稱滋養(yǎng)層；內(nèi)部細(xì)胞分裂較慢，形成內(nèi)細(xì)胞團(tuán)，中間出現(xiàn)囊腔，稱囊胚腔。此時的胚胎稱為囊胚或胚泡。12基本概念

原腸作用：胚胎細(xì)胞通過劇烈而又有序的運(yùn)動，使囊胚細(xì)胞重新組合，形成三胚層胚胎結(jié)構(gòu)的過程。13

(一)細(xì)胞分化的概念一般概念：細(xì)胞分化是指同一來源的細(xì)胞通過分裂逐漸產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和功能上穩(wěn)定性差異的過程。一、概述14

分子水平概念：細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果，表現(xiàn)為不同類型的細(xì)胞合成出不同的特異性蛋白質(zhì)。例如:紅細(xì)胞---血紅蛋白肌細(xì)胞---肌動蛋白和肌球蛋白漿細(xì)胞---抗體15(二)細(xì)胞分化的指標(biāo)三大指標(biāo)：形態(tài)結(jié)構(gòu)、生化特性和生理機(jī)能成熟的紅細(xì)胞：中間凹陷、圓盤狀、無核產(chǎn)生血紅蛋白能攜帶氧和二氧化碳肌細(xì)胞：梭形產(chǎn)生收縮蛋白(肌動蛋白和肌球蛋白)能收縮16小腸上皮細(xì)胞紅細(xì)胞成纖維細(xì)胞不同類型細(xì)胞形態(tài)各異（掃描電鏡圖）17(三) 細(xì)胞分化的特點(diǎn)穩(wěn)定性

細(xì)胞一旦受到某種刺激、開始向某一方向分化后，即使引起細(xì)胞分化的因素不再存在，分化仍然繼續(xù)進(jìn)行，不會自發(fā)地逆轉(zhuǎn)到未分化狀態(tài)。分化過程基本上是不可逆的，導(dǎo)致個體發(fā)育的不可逆性。受精卵分化胚胎發(fā)育成體衰老死亡182.可逆性：在一定條件下，細(xì)胞分化又是可逆的。19可逆性例證1：在一定條件下，細(xì)胞分化又是可逆的。細(xì)胞分化的穩(wěn)定性是普遍的，而分化的可逆性是有條件的。野生胡蘿卜植株實(shí)驗(yàn)20可逆性例證2：在一定條件下，細(xì)胞分化又是可逆的?；グ┘?xì)胞與正常囊胚細(xì)胞融合產(chǎn)生嵌合體小鼠213.時空性：空間分化：同源細(xì)胞由于所處位置不同產(chǎn)生不同細(xì)胞類型。

時間分化：一個細(xì)胞在不同發(fā)育階段可以有不同的形態(tài)和功能。224.普遍性：細(xì)胞分化存在于個體生命活動的始終，但以胚胎期最為明顯。23受精卵桑椹期內(nèi)細(xì)胞團(tuán)滋養(yǎng)外胚層外胚層（神經(jīng)、表皮）中胚層（脊索、血細(xì)胞、肌肉）內(nèi)胚層（消化道、肝臟、胰腺）胎盤ES細(xì)胞胚胎細(xì)胞的分化細(xì)胞分化與個體發(fā)育24全能細(xì)胞（totipotentcell）：

在一定條件下，有能力重新形成完整的個體或者分化形成該個體任何種類的細(xì)胞。胚胎細(xì)胞的分化潛能25多能細(xì)胞

(pluripotentcell)：

發(fā)生潛能上出現(xiàn)一定的局限性，只具有演變?yōu)槎喾N細(xì)胞類型的能力，這種細(xì)胞稱為多能細(xì)胞。胚胎細(xì)胞的分化潛能26單能細(xì)胞(unipotent/monopotentcell)：僅具有分化形成某一種類型能力的細(xì)胞被稱為單能細(xì)胞。胚胎細(xì)胞的分化潛能27

在細(xì)胞發(fā)育過程中，這種逐漸由全能轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄?，最后趨向于單能的分化趨勢是?xì)胞分化過程中的一個普遍規(guī)律。28細(xì)胞核具有全能性29胚胎細(xì)胞分化潛能的決定細(xì)胞決定(celldetermination)：

細(xì)胞在出現(xiàn)特異形態(tài)特征之前已經(jīng)確定了未來發(fā)育方向的能力。

30移植實(shí)驗(yàn)顯示細(xì)胞的決定狀態(tài)原腸胚早期預(yù)定發(fā)育為表皮組織的區(qū)域移植至另一胚胎預(yù)定發(fā)育為腦組織的區(qū)域，供體表皮細(xì)胞在受體胚胎中將發(fā)育為腦組織；原腸胚晚期預(yù)定發(fā)育為表皮組織的區(qū)域移植至另一胚胎預(yù)定發(fā)育為腦組織的區(qū)域，供體表皮細(xì)胞在受體胚胎中將發(fā)育為表皮。31細(xì)胞決定的特點(diǎn)穩(wěn)定性遺傳性32

成蟲盤(器官芽):

成蟲盤是幼蟲體內(nèi)處于未分化狀態(tài)的細(xì)胞團(tuán)，變態(tài)后由成蟲盤產(chǎn)生相應(yīng)的腿、翅、觸角等成體的不同結(jié)構(gòu)，他們是預(yù)先向某種特定類型分化的已決定的細(xì)胞團(tuán)。333435胚胎細(xì)胞分化潛能的決定

細(xì)胞區(qū)域決定：

細(xì)胞在分化成一種細(xì)胞類型之前，細(xì)胞已經(jīng)具有了分化成與該細(xì)胞所在位置類型相同細(xì)胞的能力。36小雞胚胎翅芽嫁接實(shí)驗(yàn)顯示區(qū)域決定早期的腿芽細(xì)胞已經(jīng)具有了腿的決定，但沒有不可逆的定向?yàn)橥鹊奶囟ú糠郑蛔罱K定向?yàn)楹畏N組織和器官與最終發(fā)育時的位置有關(guān)。37細(xì)胞分化的分子水平概念：細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。細(xì)胞分化的分子機(jī)制3839

DNA/RNA分子雜交實(shí)驗(yàn)證明 基因組轉(zhuǎn)錄百分率(%)細(xì)菌 40~50變形蟲 28果蠅(胚胎) 15雞(肝) 15小鼠(肝、腎、胰) 4~5人(肝、腎、胰及Hela細(xì)胞) 4~5降低40

雜交實(shí)驗(yàn)檢測primaryRNA是否具有組織特異性。從肝細(xì)胞cDNA文庫中任選15個克隆(每個克隆含一個基因)，分別與提取的肝、腎、腦組織primaryRNA雜交，檢測其是否能夠雜交配對。結(jié)果：肝primaryRNA與15個克隆均雜交，而能與腎、腦primaryRNA雜交克隆數(shù)明顯減少。41基因組DNA轉(zhuǎn)錄primaryRNA剪接mRNA穿過核膜翻譯降解蛋白質(zhì)42轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控細(xì)胞分化基因表達(dá)的調(diào)控43與細(xì)胞分化有關(guān)的基因按功能分為兩類：管家基因(housekeepinggene)：維持細(xì)胞基本活動所必需的結(jié)構(gòu)與功能蛋白質(zhì)的編碼基因。奢侈基因(luxurygene)：細(xì)胞特異性蛋白質(zhì)編碼基因，對細(xì)胞分化起重要作用，對細(xì)胞的生存無直接影響。44影響細(xì)胞分化的因素不對稱分裂細(xì)胞間的相互誘導(dǎo)相鄰細(xì)胞的側(cè)向抑制信號分子的梯度效應(yīng)細(xì)胞的內(nèi)在程序45（一）不對稱分裂

不對稱分裂會造成兩個子細(xì)胞的不同，一些重要的分子（決定子）在分裂時不均等的被分配到兩個子細(xì)胞中；

決定子：卵裂時，受精卵的細(xì)胞質(zhì)物質(zhì)在子細(xì)胞中的分配是不均勻的，這些特殊細(xì)胞質(zhì)組分被稱為決定子。46不對稱分裂存在于細(xì)胞質(zhì)中不對稱分配的分子直接或間接的改變所在子細(xì)胞基因表達(dá)的格局；含有生殖細(xì)胞決定子的細(xì)胞將來發(fā)育為生殖細(xì)胞；4748不對稱分裂蛙受精卵在卵裂時得不到灰新月區(qū)的卵細(xì)胞將無法發(fā)育為正常的胚胎，因?yàn)榛倚略聟^(qū)控制胚孔背唇（灰新月區(qū)出現(xiàn)的唇形凹陷）形成，而胚孔背唇是誘發(fā)原腸運(yùn)動的關(guān)鍵?；倚略拢壕尤肼岩鹇驯韺蛹?xì)胞質(zhì)流動，在對側(cè)赤道下方形成的灰色區(qū)域。49不對稱分裂施皮曼組織者（Spemann’sorganizer）：

將早期原腸胚的背唇細(xì)胞切割下來，移植到相同發(fā)育的另一胚胎的不同位置，宿主細(xì)胞除在原背唇處發(fā)生內(nèi)陷外，在移植處產(chǎn)生一新的內(nèi)陷，結(jié)果引起雙胎發(fā)育。這種背唇細(xì)胞對原腸胚形成的組織作用被稱為施皮曼組織者。

50（二）細(xì)胞間相互誘導(dǎo)

誘導(dǎo)式相互作用（inductiveinteraction）:

胚胎細(xì)胞發(fā)育過程中，相鄰細(xì)胞的信號使群體內(nèi)的一個或多個細(xì)胞性狀發(fā)生改變，這種過程被稱為誘導(dǎo)式相互作用。51細(xì)胞間相互誘導(dǎo)

誘導(dǎo)式相互作用特點(diǎn)：誘導(dǎo)式相互作用具有時間和空間的限制。舉例：中胚層脊索誘導(dǎo)外胚層分化為神經(jīng)管。5253胚胎細(xì)胞間的多級相互誘導(dǎo)初級誘導(dǎo)：神經(jīng)管形成腦的部位誘導(dǎo)兩側(cè)形成視環(huán)次級誘導(dǎo)：視環(huán)再誘導(dǎo)緊鄰?fù)馀邔蛹?xì)胞分化為晶狀體三次誘導(dǎo)：晶狀體誘導(dǎo)表面上皮細(xì)胞分化為透明角膜54胚胎細(xì)胞間的多級相互誘導(dǎo)

依次誘導(dǎo)（sequentialinduction）：

這種漸進(jìn)性的產(chǎn)生更復(fù)雜格局的策略被稱為依次誘導(dǎo)。發(fā)育動物主要通過這種方式規(guī)劃身體，在最初構(gòu)劃出大致輪廓后，隨發(fā)育的過程，一次又一次的精雕細(xì)琢。555～6天胚齡雞胚眼部結(jié)構(gòu)電鏡掃描圖56（三）相鄰細(xì)胞的側(cè)向抑制側(cè)向抑制（lateralinhibition）：經(jīng)過細(xì)胞間的相互誘導(dǎo)，一群細(xì)胞中的一部分細(xì)胞被誘導(dǎo)成不同的細(xì)胞之后，獲得了與周圍細(xì)胞不同的性狀，同時向鄰近的細(xì)胞傳遞一種信號，阻止他們成為與自己一樣的細(xì)胞，這種現(xiàn)象被稱為側(cè)向抑制。57相鄰細(xì)胞的側(cè)向抑制實(shí)驗(yàn)舉例：發(fā)育中的蛙胚置于含成體蛙心碎片的培養(yǎng)液中，胚胎不能產(chǎn)生正常的心臟。發(fā)育中的蛙胚置于含成體蛙腦碎片的培養(yǎng)液中，胚胎不能產(chǎn)生正常的腦。58（四）信號分子的梯度效應(yīng)梯度效應(yīng)：不同濃度的信號分子可使細(xì)胞進(jìn)入不同的分化途徑。這種效應(yīng)稱為梯度效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)舉例：

胚胎肢芽一側(cè)的特化細(xì)胞分泌一種信號分子，擴(kuò)散后形成梯度，控制肢芽拇指到小指細(xì)胞的分化。5960（五）細(xì)胞的內(nèi)在程序細(xì)胞的內(nèi)在程序：細(xì)胞改變性狀是細(xì)胞內(nèi)在控制的，不需要誘導(dǎo)信號觸發(fā)。實(shí)驗(yàn)舉例：出生7天的小鼠眼神經(jīng)膠質(zhì)祖細(xì)胞在恒定的環(huán)境中培養(yǎng)，8個分裂周期后將分化為少突神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。這與其在胚胎中發(fā)育的時間相同。61

腫瘤細(xì)胞是異常分化的細(xì)胞。個體發(fā)育是細(xì)胞有控生長與逐步分化的結(jié)果，而腫瘤則是生長失控與去分化的結(jié)果。細(xì)胞分化與腫瘤62癌角質(zhì)層生發(fā)層基膜血管轉(zhuǎn)移63腫瘤生成與基因表達(dá)基因編碼錯誤抑癌基因抑制原癌基因激活64

以藥物或生物制劑控制細(xì)胞分化和增殖是腫瘤治療的主要方向。目前，利用分化誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞分化已作為腫瘤治療的一種輔助療法。細(xì)胞分化與腫瘤治療65內(nèi)容回顧掌握細(xì)胞分化的概念、指標(biāo)及特點(diǎn)掌握細(xì)胞分化潛能的類型掌握細(xì)胞決定的概念熟悉影響細(xì)胞分化的因素66參考書醫(yī)學(xué)細(xì)胞生