中國海洋大學細胞生物學課件細胞分化

卵后端的細胞質含有一種顆粒物質——極粒(polargranules)；極質(poleplasm)，極質能決定生殖細胞的分化。果蠅胚胎發(fā)育至囊胚階段，后端的極細胞將分化為性細胞極細胞(PGC)體細胞受精卵多個細胞核細胞核遷至細胞邊緣逐漸形成分界果蠅(Drasophila)生殖質(germplasm)：決定生殖細胞分化的細胞質成分。果蠅胚胎臨完成卵裂時的掃描電鏡圖，極細胞集中在右端(蟲體后端)從果蠅極細胞中分離出的極粒電鏡圖當前1頁，總共46頁。在正常卵細胞中，決定子有一定的空間定位。雖然可人為改變其分布位置，但其性能不會因位置的改變而改變！蛔蟲受精卵的正常卵裂(a)和離心后卵裂(b)過程中生殖質分布與生殖干細胞形成的關系示意圖當前2頁，總共46頁。體細胞的分化同樣受細胞質因子的決定(如昆蟲幼蟲的成蟲盤)（二）體細胞決定子胸部頭部腹部當前3頁，總共46頁。用紫外線照射搖蚊(Smittia)卵前部形成雙腹部畸胎的模式圖解卵的前端含有誘導前部體節(jié)分化的決定子雙腹部畸胎前端后端搖蚊卵UV頭胸前腹部當前4頁，總共46頁。決定子對細胞分化方向的影響是靠決定基因的選擇性表達來實現的。同源異型基因(homeoticgenes)或同源異型選擇基因(homeoticselectorgenes)能確定一群細胞的個性和發(fā)育途徑。他們編碼同源異型區(qū)轉錄因子，在個體中終生表達。這類基因的共有結構特點是，都含有一段相同的核苷酸序列，此序列稱為同源異型框(homeobox)，編碼一段60個氨基酸的序列，此段氨基酸序列稱為同源異型域(homeodomain)。在三維結構上同源異型域序列形成螺旋-轉角-螺旋(helix-turn-helix)結構域，它可同專一DNA序列結合。當前5頁，總共46頁。果蠅與哺乳動物的同源異型框的對比圖解當前6頁，總共46頁。控制體節(jié)個性的同源異型基因組成了兩群：①觸角足復合物，調控頭部和第一胸節(jié)中副節(jié)的個性；②雙胸復合物，調節(jié)其余各副節(jié)的個性。這兩個復合物總稱為HOM復合物。體節(jié)的個性是由一定區(qū)域中的基因配合作用所決定。labpbDfdscrantpudxAbd-AAbd-B5’3’觸角足復合物雙胸復合物觸角足復合物和雙胸復合物中同源異型基因的排列順序當前7頁，總共46頁。同源異型基因在小鼠整個胚胎中的表達照片當前8頁，總共46頁。細胞質成分（如特定的蛋白質或mRNA）在細胞中形成不對稱分布，造成細胞的極化。細胞不對稱分裂示意圖細胞質成分不均勻定位，使細胞極化。分裂后兩個子細胞獲得不同成分的細胞質，產生不同的分化命運.極化細胞有絲分裂時如果紡錘體與極化軸一致，所產生的兩個子細胞就繼承了不同的細胞質成分，從而分化成了不同類型的細胞。當前9頁，總共46頁。在成體中也存在著決定子果蠅神經母細胞的分化模式果蠅的神經母細胞分裂成兩個子細胞，一個分化為神經節(jié)細胞，另一個仍保持為未分化神經母細胞(干細胞)的狀態(tài)。神經母細胞(干細胞)神經節(jié)細胞神經母細胞(干細胞)子細胞的分化方向是由得到的細胞質來決定！含有2種基部蛋白:Miranda,Numb.頂端含有由3種蛋白質(Baz/Par6/aPKC)組成的頂端復合物當前10頁，總共46頁。細胞分化中核質關系小結基因組基因的選擇性表達新一輪基因表達再新一輪基因表達更新一輪基因表達更新一輪基因表達更新一輪基因表達更新一輪基因表達更新一輪基因表達更新一輪基因表達更新一輪基因表達AcellBcellEcellDcellGcellCcellFcellHcellIcellJcellFunctioncell(Terminaldifferentiated)功能蛋白質組更新一輪基因表達核質關系模擬圖解當前11頁，總共46頁。胚胎的正常發(fā)育首先起始于受精卵中母體信息的表達。形態(tài)發(fā)生決定子是卵母細胞預先合成的貯存信息，其定位分布與定時激活，通過各種途徑調節(jié)胚胎基因組的表達。早期合成的蛋白質又對晚期發(fā)育的基因表達起調節(jié)作用。于是便形成了個體發(fā)育的反應連鎖和網絡，為個體的建成奠定了信息和物質基礎。

當前12頁，總共46頁。卵中的決定子是RNA性質的物質！第四節(jié)卵中影響細胞分化的細胞質因子的性質一、決定子是RNA調控信息雙腹部畸胎前端后端搖蚊卵RNase當前13頁，總共46頁。母體信息(maternalmessages)：是由在卵母細胞成熟過程中轉錄的mRNA指導合成。二、調控信息來源于母體以mRNP顆粒形式存在的沉降系數要大于核糖體的母體信息。信息體(informasome)：mRNA遍布整個卵mRNA沿卵軸定位分布母體信息編碼管家蛋白(持家基因)編碼專一發(fā)育的蛋白質(奢侈基因)當前14頁，總共46頁。海膽早期發(fā)育的卵裂方式卵母細胞中定位分布的mRNA，在受精后經卵裂進入不同的細胞，指導合成專一的蛋白質。角貝極葉中編碼專一蛋白的mRNA隨卵裂被分配到不同的細胞內ABCDDA極葉受精卵BC當前15頁，總共46頁。個體發(fā)育的編程存在于卵母細胞中，精子通過受精激活卵，經卵裂進入不同的細胞，指導合成專一的蛋白質。卵確實不是均質的：卵物質的定位分布與胚胎各部分的形成有一定的關系。非洲爪蟾卵動物極植物極富含色素的動物極胞質富含卵黃的植物極胞質卵黃核心皮質質膜當前16頁，總共46頁。卵子受精后，卵母細胞中貯存的mRNA有秩序地被激活，在嚴格的調控下，在一定時間合成胚胎發(fā)育所需要的蛋白質。三、卵的激活與母體信息的翻譯調控1、隱蔽mRNA的利用2、無帽信息的修飾4、翻譯效率的改變3、封存信息的利用母體信息的翻譯調控途徑：當前17頁，總共46頁。成熟卵母細胞中供受精以后利用的mRNA都結合有專一性的蛋白質，各種mRNA結合的蛋白質有所不同。1、隱蔽mRNA(maskedmRNA)的利用隱蔽mRNA專一性結合蛋白受精后因離子的濃度變化使隱蔽mRNA中的mRNA游離出來起始翻譯mRNA專一性結合蛋白受精翻譯不能被翻譯當前18頁，總共46頁。真核生物的mRNA，在5’端都有一個“m7G”帽，是mRNA與40S核糖體亞單位相識別的結構。如果此核苷酸是未甲基化的無帽信息，就不能進行翻譯。2、無帽信息的修飾mRNAGmRNAm7G煙草天蛾卵母細胞中無帽信息的修飾圖解受精甲基化當前19頁，總共46頁。被封存在原核中的海膽組蛋白mRNA在受精后期進入細胞質的模式圖解組蛋白mRNA♀原核細胞質♂原核卵母細胞中有些含mRNA的RNP顆粒被隔離起來，是為封存信息(sequesteredmessages)，它們無法接近核糖體，故不能發(fā)揮作用。3、封存信息的利用進入細胞質的組蛋白mRNA父本染色體母本染色體當前20頁，總共46頁。在對海膽卵受精后細胞內的pH值升高導致蛋白質合成速率驟然上升的模式圖解pH6.9pH6.9pH6.94、翻譯效率的改變成熟的卵母細胞中pH值比較低，對蛋白質的合成有抑制作用。H+pH7.4蛋白質合成速率當前21頁，總共46頁。第五節(jié)細胞間相互作用和環(huán)境因素對細胞分化的影響胚胎誘導(embryonicinduction)：動物在一定的發(fā)育時期，一部分細胞影響相鄰細胞分化方向的作用。一、胚胎誘導人眼的發(fā)生示意圖當前22頁，總共46頁。鳥類翅的胚胎誘導實驗鳥類爪的胚胎誘導實驗當前23頁，總共46頁。兩棲類的胚胎誘導實驗受體胚胎背側腹側移植的胚孔背唇形成第2個遷移位點形成的聯體雙胚供體胚胎胚孔背唇背側腹側背唇初級誘導者當前24頁，總共46頁。二、細胞數量效應細胞分化必須有一定數量的細胞為基礎胰腺原基不能分別發(fā)育成胰腺組織切割8小塊原基分別培養(yǎng)胰腺組織共同培養(yǎng)集中當前25頁，總共46頁。爪蟾尾部退化過程中甲狀腺素的分泌量增加導致溶酶體組織蛋白酶增加，尾部細胞被消化三、激素的作用兩棲類的變態(tài)過程當前26頁，總共46頁。環(huán)境中的物理、化學因子：以提供信號的方式影響機體的細胞分化四、環(huán)境對細胞分化的影響粘菌發(fā)育和生活史單細胞變形體食物充足假原質團食物匱乏停止遷移柄孢子子實體當前27頁，總共46頁。生物成體丟失的組織或器官重新生長和修復的過程稱為再生(regeneration)。植物的再生能力最強，一個體細胞即可產生一棵完整的植株。在動物界中，一般無脊椎動物的再生能力要高于脊椎動物。有的動物的再生能力很強，如海星(棘皮動物)、扁蟲(Planarias)和水螅(Hydra)等，這些動物的一小片組織即可再生成一個結構和功能齊全的個體(它們的強再生能力與它們進行無性繁殖有關)。第6節(jié)再生與去分化當前28頁，總共46頁。動物再生能力最強的一個例子是海鞘(Ascidians),它的一個血細胞即可生成一個完整的個體。但是再生能力的強弱在進化上并沒有嚴格的對應關系。例如，與水螅同屬腔腸動物的水母，再生能力就很弱。線蟲(nematode)則完全沒有再生能力。在脊椎動物中，蠑螈和其它有尾兩棲類的再生能力相當強。如蠑螈的晶狀體切除后，虹膜的色素上皮細胞可再生出晶狀體。當前29頁，總共46頁。蠑螈晶狀體再生示意圖晶狀體切除后，由虹膜色素上皮再生出新的晶狀體。(A)眼球的正常結構；(B)背視網膜細胞去分化；(C)－(G)背視網膜細胞再生成晶狀體。當前30頁，總共46頁。一、再生的類型

主要通過尚存組織重新進行模式形成和重新建立邊界而進行的再生過程。再生時，尚存結構重新表現出原有結構的發(fā)育模式，隨之按比例進行擴大生長，完成再生。例如水螅和扁蟲被切成兩段后，每一段均可再生出失去的一段。根據再生過程的方式不同，可將再生現象分為兩類：1、變形再生(morphallaxis)2、新建再生(epimorphosis)依靠新的生長，重新組建失去的結構。高等動物的再生即屬此類，如蠑螈肢體的再生。當前31頁，總共46頁。羅氏海盤車腕的新建再生新生腕芽殘腕(自樊廷俊等，2005)當前32頁，總共46頁。二、去分化與轉分化

再生時，所余分化細胞通常要先失去其結構和功能特征，而逆轉成胚胎性的未分化狀態(tài)，這一變化過程稱為去分化(dedifferentiation)。在動物中，去分化細胞具有胚胎間充質細胞的功能，可再進行分化。在植物中，去分化細胞形成愈傷組織(callus)，進而再生出喪失的部分或再生植株。去分化往往隨之即發(fā)生再分化(redifferentiation)。去分化細胞再分化成它種細胞的變化過程稱為轉分化(transdifferentiation)。當前33頁，總共46頁。1、蠑螈的前肢被部分切除后，傷口處細胞間的粘合性減弱，表皮細胞通過變形運動移向傷口，形成細胞單層——頂外胚層帽(apicalectidermalcap)，封閉傷口。2、頂帽下方的細胞(骨細胞、軟骨細胞、成纖維細胞、肌細胞和神經細胞)迅即發(fā)生去分化，并形成一團去分化細胞——再生胚芽(regenerationblastema)。胚芽細胞繼續(xù)增殖，并分化成新的肢體結構。在動物中，有尾兩棲類肢體的再生過程大體上包括：當前34頁，總共46頁。蠑螈前肢的切除再生當前35頁，總共46頁。三、去分化的調控機制肢體部分切除后，剩余部分的表皮細胞移行到創(chuàng)面上，經分裂增殖，形成頂外胚層帽。帽下方的各種細胞（包括骨細胞、軟骨細胞、成纖維細胞、肌細胞和神經細胞）迅速去分化，巨噬細胞分泌金屬蛋白酶，消化了細胞外基質，使細胞彼此分散開，失去了分化細胞的特征差別。原來在肌細胞中表達的基因(MRF4,myf5)降低表達，而在胚胎間充質細胞中表達的msx1基因表達急劇升高。這群去分化的細胞重新進入細胞周期，形成了能分裂的再生胚芽(blastema)，經再分化形成肢體新結構。當前36頁，總共46頁。視黃酸是在再生肢體創(chuàng)傷表皮的頂外胚層帽中合成的形態(tài)發(fā)生素，它沿再生胚芽的近遠軸形成濃度梯度，在細胞去分化和形成再生胚芽過程中起重要作用。1、視黃酸的作用視黃酸msx1基因Hoxa基因促進間充質增殖再生胚芽的肢體模式形成激活當前37頁，總共46頁。2、Rb蛋白的作用成體肌細胞高度分化，不再分裂;蠑螈肢體再生時，肌細胞又重新進行細胞分裂。肌細胞退出細胞周期與Rb基因的表達產物Rb(retinoblastema,視網膜瘤)蛋白的去磷酸化有關。生長因子刺激細胞增殖過程圖解(A)無生長因子時，去磷酸化的Rb蛋白與專一基因調節(jié)蛋白結合，調節(jié)蛋白處于無活性狀態(tài)；(B)生長因子與細胞表面受體結合，激活細胞內信號傳遞途徑，進一步激活G1周期蛋白-Cdk復合物，使Rb蛋白磷酸化并失活，于是基因調節(jié)蛋白游離出來，激活靶基因的轉錄，使細胞分裂。當前38頁，總共46頁。實驗表明，胚芽的生長必須有神經的存在，胚芽生長時的有神經進入和分布。如果把神經切除，胚芽則不能生長。神經的作用是為胚芽的生長提供生長因子，如膠質細胞生長因子(glialgrowthfactor,GGF)或成纖維細胞生長因子(fibroblastgrowthfactor,FGF)。3、神經對胚芽生長的支持作用當前39頁，總共46頁。哺乳動物的再生能力比較差。截肢后一般不能再生。但是有的器官局部切除后，仍可再生。如鼠肝大部分被切除后仍能再生恢復原狀。利用新生的負鼠(Didelphis)實驗表明，在截肢前，向肢體中埋入一片腦組織，則截肢后仍可再生。幼兒指尖（最后指節(jié)的甲根以遠部分）如果被截去，只要不縫合皮膚，仍可再生，甚至能長出指紋和指甲。四、哺乳動物的再生潛能當前40頁，總共46頁。植物的再生能力極強，甚至一個體細胞即可再生出一棵完整的植株，并不表現出極性。然而部分莖再生時，則表現出極性。從植株上截取一段莖進行培養(yǎng)，重又長出苗和根。再生的根總是由近根端長出；而苗則是從莖的近苗端長出。五、植物的極化再生當前41頁，總共46頁。植物的極化再生現象示意圖

這種極化再生現象與維管分化和植物生長素(auxin)的極化運輸有關。植物生長素來自苗端分生組織，向著根運輸。當莖截斷后，近苗端的生長素便向著莖的近根端運輸，在近根端積累，從而誘導生成根。極性是由生長素的流向決定的。當前42頁，總共46頁。六、再生的實踐意義大家發(fā)現分化細胞在一定條件下可發(fā)生去分化