細(xì)胞分化與克隆優(yōu)秀公開課件

第五章細(xì)胞分化與“克隆”一、細(xì)胞分化的基本概念二、細(xì)胞分化中的發(fā)育潛能變化三、細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)的重要啟示—動物特化細(xì)胞的細(xì)胞核仍保持全能性四、細(xì)胞分化與基因的時(shí)空表達(dá)五、細(xì)胞質(zhì)在細(xì)胞分化中的重要作用六、內(nèi)外環(huán)境對細(xì)胞分化的影響七、“多莉”克隆羊研究的科學(xué)意義

一、細(xì)胞分化的基本概念

1、什么是細(xì)胞分化

（1）細(xì)胞分裂、細(xì)胞生長、細(xì)胞分化三者共同作用實(shí)現(xiàn)人從一個(gè)受精卵最終發(fā)育成由多細(xì)胞構(gòu)成的人體。

a、細(xì)胞分裂：增加細(xì)胞的數(shù)量；

b、細(xì)胞生長：增加細(xì)胞的體積和重量；

c、細(xì)胞分化：增加細(xì)胞的種類和功能。

（2）細(xì)胞分化：(從受精卵分裂開始，通過胚胎發(fā)育演變出各種類型的組織細(xì)胞。)是指細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能發(fā)生了穩(wěn)定差異的變化，這個(gè)差異形成過程就稱為細(xì)胞分化。

b、細(xì)胞分化是個(gè)體生長的基礎(chǔ)：

如血液中各種細(xì)胞的形成，就是由造血器官中（紅骨髓）多能造血干細(xì)胞進(jìn)行血細(xì)胞分化的結(jié)果。圖5-1。

2、細(xì)胞分化的特點(diǎn)：

3個(gè)基本特點(diǎn)：

（1）細(xì)胞分化是單向演變，一般不發(fā)生逆轉(zhuǎn)（2）分化的方向和程序都是預(yù)先確定；

（3）細(xì)胞生理狀態(tài)隨著細(xì)胞分化程度而改變

如神經(jīng)細(xì)胞和肌肉細(xì)胞是高度分化的細(xì)胞,在成體中一般是不分裂的；

表皮生發(fā)層細(xì)胞和骨髓造血干細(xì)胞是分化程度比較低的，可以終身保持分裂能力。

（2）多能性：隨著胚胎的進(jìn)一步發(fā)育，其細(xì)胞雖然還具有分化成各種組織細(xì)胞的發(fā)育潛能，但是已經(jīng)失去了發(fā)育成完整個(gè)體的能力，這時(shí)的發(fā)育潛能叫—。

如多能造血干細(xì)胞→紅細(xì)胞、白細(xì)胞、血小板等多種細(xì)胞，但是不能分化出血液系統(tǒng)以外的其它細(xì)胞，發(fā)育潛能只是多能性，而不是全能性。

（3）單能性：(再進(jìn)一步分化，)單能造血干細(xì)胞只能分化形成專一的細(xì)胞，這時(shí)的發(fā)育潛能被稱為—?？傊?，隨著細(xì)胞分化程度的深入，其發(fā)育潛能逐漸變窄，變得專一（4）終端分化細(xì)胞（特化細(xì)胞）：像成熟紅細(xì)胞這樣高度分化的細(xì)胞實(shí)質(zhì)上是發(fā)育到盡頭了,被稱為—。3、克隆與發(fā)育潛能

（1）克?。╟lone）：希臘語，原意是插枝入土，重新長成一株大樹。（2）生物學(xué)上表示無性繁殖系，即某個(gè)生物體的一部分通過無性繁殖手段，可人工培育出一批與原生物體基因型完全相同的后代。

（3）現(xiàn)在已經(jīng)有微生物克隆、細(xì)胞克隆、分子克隆、胚胎克隆、植物克隆、動物克隆、單克隆抗體術(shù)語。圖5-4。

（2）1978年，我國發(fā)育學(xué)家童第周先生將黑斑蛙的紅細(xì)胞核移入去核的未受精卵，也有少數(shù)發(fā)育成蝌蚪；童弟周培育的鯉鯽核質(zhì)雜交魚等。

（3）1981年，Hoppe等，首先在哺乳動物—小鼠中成功進(jìn)行了核移植實(shí)驗(yàn)，將灰色小鼠囊胚期細(xì)胞的核移入到黑色小鼠的去核受精卵中，經(jīng)過體外培養(yǎng)，移核卵發(fā)育到囊胚期，再將移植到白色雌鼠（假孕鼠）子宮內(nèi)，結(jié)果生產(chǎn)出3只仔鼠，其毛色、核型、同工酶指標(biāo)都與核供體灰色鼠相同。圖5-5。

童第周，字慰孫，我國著名生物學(xué)家、教育家。生于1902年5月28日，1979年3月去世。浙江鄞縣人。

維爾穆特及其同事：1000個(gè)卵—434個(gè)人造未融合的卵—電擊融合—277個(gè)人造受精卵—移植到羊輸卵管中特殊培養(yǎng)存活247個(gè)—29個(gè)發(fā)育到早期胚胎的高級階段（桑葚胚）—移植到13只代孕母親的子宮中—只有多利出生了。②技術(shù)線路仍是采用細(xì)胞核移植，與“多莉”的區(qū)別是供體細(xì)胞(提供細(xì)胞核的細(xì)胞)是人的胎兒細(xì)胞，即將人的胎兒細(xì)胞核移植至到羊的卵細(xì)胞中③克隆羊“多莉”是帶有人類某些基因的羊、其意義主要表現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面。（2）上海羊：是轉(zhuǎn)基因山羊4、揚(yáng)州大學(xué)的克隆羊、西北農(nóng)大的克隆山羊（圓圓和羊羊）、克隆牛（中科院動物所）、克隆猴問世。

5、克隆人?隆人已經(jīng)不是科幻小說里的夢想，而是呼之欲出的現(xiàn)實(shí)。目前，已有三個(gè)國外組織正式宣布他們將進(jìn)行克隆人的實(shí)驗(yàn)，美國肯塔基大學(xué)的扎沃斯教授正在與一位名叫安提諾利的意大利專家合作，計(jì)劃在兩年內(nèi)克隆出一個(gè)人來。由于克隆人可能帶來復(fù)雜的后果，一些生物技術(shù)發(fā)達(dá)的國家，現(xiàn)在大都對此采取明令禁止或者嚴(yán)加限制的態(tài)度。

模擬克隆人古代神話里孫悟空用自己的汗毛變成無數(shù)個(gè)小孫悟空的離奇故事，表達(dá)了人類對復(fù)制自身的幻想。上世紀(jì)初，韋伯（H.J.Webber）創(chuàng)造了“克隆”這一詞，其含義指由單個(gè)祖先個(gè)體經(jīng)過無性繁殖而產(chǎn)生的其他個(gè)體。１９３８年，德國科學(xué)家首次提出了哺乳動物克隆的思想。1978年，美國科幻小說家羅維克（D.Rorvick）寫了一本名叫《克隆人》（TheCloningofaman，該書中文譯名為《復(fù)制人》）的書。克隆人的法律地位1、克隆人是人不是物2、克隆人給社會帶來法律主體上的混亂3、克隆人給民事法律關(guān)系帶來的混亂a克隆人沒有監(jiān)護(hù)人b克隆人的人格權(quán)和榮譽(yù)權(quán)克隆的意義克隆人的好處第一是可以讓那些得不到孩子而非常痛苦的不育患者有自己的孩子。其二，這樣的克隆是只用丈夫妻子自己的精子卵子，這就避免了倫理上和心理上的陰影。還有，克隆還可以挽救瀕危動物，保持人群性別的合理平衡，保護(hù)少數(shù)民族遺傳基因。更重要的是，克隆人可被用來研究，以比較和證明環(huán)境與遺傳對人成長究竟哪一個(gè)更重要。

6、兩個(gè)有關(guān)的認(rèn)識難點(diǎn)

（1）既然動物特化細(xì)胞的核仍然具有全能性，為什么說動物細(xì)胞的發(fā)育潛能隨著細(xì)胞分化的深入而愈變愈窄？

（2）既然動物特化細(xì)胞的核仍然具有全能性，為什么說動物特化細(xì)胞在整體水平上失去了全能性？

四、細(xì)胞分化與基因的時(shí)空表達(dá)

1、差別基因表達(dá)和基因時(shí)空表達(dá)

兩類基因：

（1）管家基因

a、概念：是對維持細(xì)胞生存所必須的基本基因。稱為管家基因

。

b、通常都是中等重復(fù)DNA序列，在各種細(xì)胞中處于活性表達(dá)狀態(tài)，如rRNA、tRNA基因、組蛋白基因等。

（2）奢侈基因

a、概念：這類基因,與各種分化細(xì)胞的特性有直接關(guān)系的基因，由它們編碼的蛋白質(zhì)通常是一些具有特殊生理功能的結(jié)構(gòu)蛋白或酶,這類基因稱為奢侈基因。

b、它們大多數(shù)是單一序列的結(jié)構(gòu)基因，如肌動蛋白、肌球蛋白、血紅蛋白、膠原蛋白基因。

c、功能：這些基因及表達(dá)產(chǎn)物在細(xì)胞分化中起關(guān)鍵作用。

d、表達(dá)特點(diǎn)：是受到嚴(yán)格的時(shí)空表達(dá)調(diào)控的，即它們只在特定的發(fā)育階段（時(shí)間），特定的組織（空間）才出現(xiàn)表達(dá)。人類基因組的3-4萬個(gè)基因不會同時(shí)表達(dá)，實(shí)際上只有1-2%的基因在表達(dá)，其它基因關(guān)閉，處于沉默狀態(tài)。

（3）差別基因表達(dá)：

概念：在某一時(shí)刻，有的基因在表達(dá)，而另外一些基因不表達(dá)。從而導(dǎo)致基因型完全相同的不同組織細(xì)胞的表型發(fā)生差異變化，這稱為—。

（4）基因的時(shí)空表達(dá)：

a、著名的例子是人類紅細(xì)胞不同分化階段，由于表達(dá)基因不同，而產(chǎn)生不同的血紅蛋白類型。

b、有胚胎、嬰兒、成人血紅蛋白，它們的的組成亞基是不同的。在個(gè)體發(fā)育中，胚胎期是以胚胎血紅蛋白(四個(gè)亞基構(gòu)成，分別為兩個(gè)ε亞基和兩個(gè)ζ亞基

）為主，嬰兒期是以嬰兒血紅蛋白(四個(gè)亞基構(gòu)成，分別為兩個(gè)α亞基和兩個(gè)γ亞基

）為主，成人期是以成人血紅蛋白為主（人體內(nèi)的血紅蛋白由四個(gè)亞基構(gòu)成，分別為兩個(gè)α亞基和兩個(gè)β亞基

）。

2、細(xì)胞分化程度與基因時(shí)空表達(dá)的關(guān)系

a、分化程度很低的早期胚胎細(xì)胞的發(fā)育潛能：具有全能性或多能性，是因?yàn)檫@些細(xì)胞在未來的發(fā)育階段上，發(fā)生差別基因表達(dá)的可能性大；b、對特化細(xì)胞而言：發(fā)育潛能已經(jīng)變得十分有限。因?yàn)楸M管它們的細(xì)胞核具有一整套基因組，但是按照基因時(shí)空表達(dá)的程序表，它們還能夠發(fā)生差別基因表達(dá)的可能性已經(jīng)極少了。如小朋友和老年人的可塑性比較。

五、細(xì)胞質(zhì)在細(xì)胞分化中的重要作用

1、動物特化細(xì)胞喪失全能性的原因

既然動物特化細(xì)胞的細(xì)胞核與植物特化細(xì)胞的細(xì)胞核一樣，保持有全能性，為什么動物特化細(xì)胞不能像植物特化細(xì)胞那樣也具有發(fā)育潛能的全能性？a、細(xì)胞全能性＝胞核全能性+細(xì)胞質(zhì)全能性

b、動物特化細(xì)胞的細(xì)胞核＝植物特化細(xì)胞的細(xì)胞核＝具有全能性

c、動物細(xì)胞失去全能性＝細(xì)胞質(zhì)失去全能性。

細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是必須將細(xì)胞核移植到去核的卵細(xì)胞或受精卵中，這就證實(shí)了動物特化細(xì)胞本身的細(xì)胞質(zhì)失去了全能性，只有把核移植到具有全能性的卵細(xì)胞質(zhì)中，才能夠恢復(fù)整個(gè)細(xì)胞的全能性。2、動物卵細(xì)胞質(zhì)對細(xì)胞分化的調(diào)控

（1）卵細(xì)胞質(zhì)的結(jié)構(gòu)：大多數(shù)動物的卵呈現(xiàn)圓球形、內(nèi)部物質(zhì)不均一分布對細(xì)胞分化發(fā)生影響，分動物極和植物極（圖5-6）。

a、動物極：極體附著的一端，原生質(zhì)比較集中，卵裂進(jìn)行比較快。如蛙卵的動物極有比較多的黑色素，比重小，受精后總是朝上；

b、植物極：相對的另一極是植物極，含有比較多的卵黃質(zhì)，分裂比較慢，比重大，總是朝下。

（2）不均一現(xiàn)象：動物極到植物極的物質(zhì)出現(xiàn)分區(qū)現(xiàn)象，不均一現(xiàn)象決定了隨后的卵裂細(xì)胞的不同分化命運(yùn)。

（3）決定子：卵細(xì)胞質(zhì)中不均一分布著某些決定細(xì)胞分化命運(yùn)的物質(zhì)，叫—。如蠅卵的極質(zhì)是性細(xì)胞決定子—生殖質(zhì)。馬蛔蟲的生殖質(zhì)在植物極這一端。圖5-6。

A、正常：只有植物極（下）這一端的細(xì)胞分化成生殖干細(xì)胞；

B、離心：混合（作用是將兩極物質(zhì)混合）后，第一次卵裂的兩個(gè)子細(xì)胞全部分化為生殖干細(xì)胞。3、細(xì)胞分化決定子的性質(zhì)

a、概念：是儲存于成熟卵細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中的遺傳調(diào)控信息即多種mRNA。b、

mRNA的類型：多達(dá)2萬-5萬種，每種mRNA的拷貝具有600多個(gè)，與專一性的蛋白質(zhì)結(jié)合成RNP顆粒（信息體），形成一種叫做隱蔽mRNA的特殊形式，儲存于卵細(xì)胞質(zhì)中。所以卵細(xì)胞才具有巨大的發(fā)育潛能。

4、隱蔽mRNA的特點(diǎn)：4個(gè)

a、這些隱蔽的mRNA都是在卵母細(xì)胞形成過程中轉(zhuǎn)錄合成而貯存下來的，并不是在受精卵階段才轉(zhuǎn)錄合成的。

放線菌素D(抑制轉(zhuǎn)錄活性的化學(xué)藥劑)處理海膽的受精卵，轉(zhuǎn)錄抑制活性了90%，但胚胎發(fā)育并未出現(xiàn)受阻的跡象。---這說明起關(guān)鍵作用的正是早已貯存的隱蔽mRNA。

b、隱蔽的mRNA在卵母細(xì)胞中貯存時(shí)，基本上是處于非活性狀態(tài)，在受精后被激活。其激活機(jī)制是Na+濃度的改變。c、隱蔽mRNA在受精后激活，其指導(dǎo)的翻譯決定了細(xì)胞分化。實(shí)驗(yàn)表明，用抑制翻譯合成的化學(xué)藥劑（嘌呤霉素）處理受精卵，抑制翻譯活動，結(jié)果細(xì)胞分化完全終止。

d、由于各種類型的隱蔽mRNA在卵細(xì)胞質(zhì)中式不均一分布和定位貯存的，所以隨著卵裂時(shí)細(xì)胞質(zhì)不同區(qū)域分別進(jìn)入不同子細(xì)胞中，從而不同子細(xì)胞的細(xì)胞分化方向也就不同了。

六、內(nèi)外環(huán)境對細(xì)胞分化的影響1、激素對細(xì)胞分化的調(diào)控作用（1）概念：是由多種內(nèi)分泌腺體排到體液或血液中的信號效應(yīng)物質(zhì)，在遠(yuǎn)距離的細(xì)胞之間起著信息傳遞作用。靶細(xì)胞：受其調(diào)控的細(xì)胞叫—。它具有激素受體（2）激素的種類：a、生長激素：由腦垂體分泌，促進(jìn)細(xì)胞生長和蛋白質(zhì)合成。

b、甲狀腺素：由甲狀腺分泌，能刺激組織生長、成熟和分化、促進(jìn)細(xì)胞代謝。

c、腎上腺皮質(zhì)激素：由腎上腺分泌，對許多器官的后期發(fā)育有重要的調(diào)節(jié)作用。

2、外界環(huán)境因素的影響

許多有害環(huán)境因素對胚胎發(fā)育早期的影響是嚴(yán)重的，如營養(yǎng)不良、高燒、有毒物質(zhì)、放射線等導(dǎo)致胎兒先天畸形。

七、“多莉”克隆羊研究的科學(xué)意義

1、首次證實(shí)了哺乳動物成體的特化細(xì)胞細(xì)胞核仍具有發(fā)育全能性

為什么選擇供體核是乳腺細(xì)胞核？分泌物是乳汁，不會分泌到克隆動物或轉(zhuǎn)基因動物自身體內(nèi)，危及到自身的安全。

2、首次證實(shí)了哺乳動物特化細(xì)胞的發(fā)育潛能有可能在人為條件下發(fā)生逆轉(zhuǎn)分化，并探索了實(shí)現(xiàn)去分化→再分化的實(shí)驗(yàn)技術(shù)

3、證明克隆動物不是100%的復(fù)制。（1）再生現(xiàn)象：即某些生物個(gè)體由于外傷，丟失了部分肢體或器官后，它們還可能由創(chuàng)傷面重新長出。自體修復(fù)的再生現(xiàn)象的本質(zhì)是細(xì)胞分化逆轉(zhuǎn)的特殊形式。（2）再生的潛能不同：a、植物和低等動物的再生能力強(qiáng)：如螞蝗和蚯蚓；棘皮動物能夠吐出內(nèi)臟引誘敵人，逃跑后自行修復(fù)；四腳蛇和壁虎的斷尾巴也是這樣；b、人和哺乳動物的再生能力很弱：僅有傷口愈合、骨折重新接合的創(chuàng)傷性再生和肝臟切除后的補(bǔ)償性再生。

（3）修復(fù)過程的本質(zhì)

是處于創(chuàng)傷面的特化細(xì)胞在外界條件的刺激下，發(fā)生去分化→再分化的逆轉(zhuǎn)全過程。去分化和再分化。

（4）克隆與再生現(xiàn)象比較

①從細(xì)胞分化的角度說其本質(zhì)是一樣的：都是迫使某些特化細(xì)胞發(fā)生去分化→再分化的逆轉(zhuǎn)全過程。但是克隆的去分化、再分化得更徹底。

②復(fù)制希特勒、愛因斯坦、夢露是不現(xiàn)實(shí)，不可能的。

4、顯示出克隆動物技術(shù)的可應(yīng)用范疇尚待深入考察

（1）1999年外電報(bào)道，多莉克隆羊出現(xiàn)衰老跡象，與染色體端粒的縮短有關(guān)。每種生物的體細(xì)胞分裂次數(shù)是有一定的限數(shù)的，如胎兒的成纖維細(xì)胞體外培養(yǎng)傳代50多次，而成人的只能傳代20多次，細(xì)胞的壽命與染色體端粒的消減現(xiàn)象有關(guān)，端粒DNA在體細(xì)胞中每分裂復(fù)制一次就丟失一小段，隨著歲月的增長端粒序列的縮短，決定了個(gè)體細(xì)胞的衰老。（生殖細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞除外，因?yàn)橛卸肆Ｃ改苄扪a(bǔ)端粒序列的缺口，不受細(xì)胞分裂次數(shù)的限制）

（2）多莉