細胞分化與克隆

細胞分化與克隆第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二一、細胞分化的基本概念二、細胞分化中的發(fā)育潛能變化三、細胞核移植實驗的重要啟示—動物特化細胞的細胞核仍保持全能性四、細胞分化與基因的時空表達五、細胞質在細胞分化中的重要作用六、內外環(huán)境對細胞分化的影響七、“多莉”克隆羊研究的科學意義

第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二一、細胞分化的基本概念

1、什么是細胞分化

（1）細胞分裂、細胞生長、細胞分化三者共同作用實現(xiàn)人從一個受精卵最終發(fā)育成由多細胞構成的人體。

a、細胞分裂：增加細胞的數(shù)量；

b、細胞生長：增加細胞的體積和重量；

c、細胞分化：增加細胞的種類和功能。

（2）細胞分化：(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胞。)是指細胞的結構、形態(tài)和功能發(fā)生了穩(wěn)定差異的變化，這個差異形成過程就稱為細胞分化。

第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二（3）個體發(fā)育階段：把從受精卵到個體性成熟的發(fā)育過程稱為—。

（4）胚胎發(fā)育期：在上述過程中，形體和生理變化最大的時期是胚胎期亦被單獨稱為—。

（5）細胞分化是個體發(fā)育的基礎

a、細胞分化是胚胎發(fā)育的基礎

原腸胚→外胚層、中胚層、內胚層，3個胚層奠定了發(fā)育人體各種組織器官、系統(tǒng)的基礎，隨后的發(fā)育都是在這3個胚層的各種細胞分化來實現(xiàn)的。

第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二

b、細胞分化是個體生長的基礎：

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

第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二2、細胞分化的特點：

3個基本特點：

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

（3）細胞生理狀態(tài)隨著細胞分化程度而改變

如神經細胞和肌肉細胞是高度分化的細胞,在成體中一般是不分裂的；

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

第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二二、細胞分化中的發(fā)育潛能變化

1、發(fā)育潛能的演變規(guī)律

（1）全能性：受精卵具有分化出各種組織細胞的發(fā)育潛能，這被稱為—。

a、如植物中，高度分化的細胞仍然具有胚性細胞的潛能,發(fā)育成完整的植株。圖5-3。

b、在高等動物胚胎發(fā)育初期（卵裂階段）的分裂球細胞仍然保持著全能性。

例如，2-4細胞期的每個細胞若被分離開，都有可能發(fā)育成一個完整的個體，此為畜牧業(yè)成功開展胚胎切割，實現(xiàn)牛、羊、兔一產多胎的繁殖技術奠定了理論基礎。

第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二（2）多能性：隨著胚胎的進一步發(fā)育，其細胞雖然還具有分化成各種組織細胞的發(fā)育潛能，但是已經失去了發(fā)育成完整個體的能力，這時的發(fā)育潛能叫—。

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

第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二（3）單能性：(再進一步分化，)單能造血干細胞只能分化形成專一的細胞，這時的發(fā)育潛能被稱為—?？傊?，隨著細胞分化程度的深入，其發(fā)育潛能逐漸變窄，變得專一（4）終端分化細胞（特化細胞）：像成熟紅細胞這樣高度分化的細胞實質上是發(fā)育到盡頭了,被稱為—。第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二2、發(fā)育潛能演進機制的探討

（1）德國著名細胞學家魏斯曼根據(jù)對馬蛔蟲研究結果提出“體細胞分化是由于遺傳物質丟失造成的，每一種組織中只保留了其專有的遺傳物質的觀點”馬蛔蟲的體細胞中確實存在染色體削減現(xiàn)象，圖5-2。小麥癭蚊體細胞也存在這種現(xiàn)象。

（2）植物細胞的全能性說明細胞分化過程中并沒有發(fā)生遺傳物質丟失的現(xiàn)象。

第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二3、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）生物學上表示無性繁殖系，即某個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)在已經有微生物克隆、細胞克隆、分子克隆、胚胎克隆、植物克隆、動物克隆、單克隆抗體術語。圖5-4。

第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二三、細胞核移植實驗與克隆動物1、細胞核移植技術（1）1952，美國學者將爪蟾蝌蚪的腸上皮細胞的細胞核移入去核的卵細胞中，獲得少數(shù)幾例胚胎發(fā)育出蝌蚪，最終發(fā)育成可以生育的蛙。

第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二（2）1978年，我國發(fā)育學家童第周先生將黑斑蛙的紅細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雜交魚等。

（3）1981年，Hoppe等，首先在哺乳動物—小鼠中成功進行了核移植實驗，將灰色小鼠囊胚期細胞的核移入到黑色小鼠的去核受精卵中，經過體外培養(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，結果生產出3只仔鼠，其毛色、核型、同工酶指標都與核供體灰色鼠相同。圖5-5。第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二

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

第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二3、多莉羊、上海羊

（1）克隆羊“多莉”

美國鄉(xiāng)村音樂女歌手多利·帕頓（DollyParton）

①羅斯林研究所1997年7月宣布培育成功“多莉”

多莉出生于1996年7月5日下午5時，蘇格蘭的羅斯林研究所，6.6公斤。

供體：芬蘭多賽特母羊-乳腺細胞-培養(yǎng)5天-取核

蘇格蘭黑臉母羊-卵細胞-去核

電擊誘導融合-創(chuàng)造一個人造受精卵-特殊培養(yǎng)-再移植到代孕母親(蘇格蘭白臉母羊)子宮中-出生。

第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二維爾穆特及其同事：

1000個卵—434個人造未融合的卵—電擊融合—277個人造受精卵—移植到羊輸卵管中特殊培養(yǎng)存活247個—29個發(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。第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二

英國羅斯林研究所正式向外界宣布，克隆羊多莉已于1998年4月當上了媽媽。該研究所發(fā)布的新聞公報說，多莉1998年4月13日當?shù)貢r間凌晨自然分娩順利產下一只母羊羔，這只取名為“邦尼’’的小羊體重2.7公斤。新聞公報稱，目前多莉母女倆“狀況良好”。羅斯林研究所所長布爾菲爾德教授在一份書面聲明中表示，他對多莉的生產感到高興。盡管多莉身份非同尋常，但小羊羔的出世證明多莉完全能夠正常懷胎并生下健康的后代。羅斯林研究所指出，多莉的生育成功，對克隆技術的商業(yè)化具有非常重要的意義。因為，當利用細胞核移植技術培育出少量轉基因動物之后，不必再利用克隆的方法，完全可以通過像多莉這樣正常懷孕生子獲得更多性能改良的下一代。邦尼的父親戴維是一只普通威爾士公山羊，多莉懷孕的時間為1997年年底。羅斯林研究所說，在邦尼出生之后，研究人員對母女倆的情況進行了一段時間觀察，以確保它們安然無恙，另外也是為了讓邦尼和多莉能有時間不受外界干擾地在一起聯(lián)絡感情，因此他們推遲了10天左右才正式發(fā)布多莉當媽媽的消息。第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二②技術線路仍是采用細胞核移植，與“多莉”的區(qū)別是供體細胞(提供細胞核的細胞)是人的胎兒細胞，即將人的胎兒細胞核移植至到羊的卵細胞中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)在經濟價值方面。（2）上海羊：是轉基因山羊4、揚州大學的克隆羊、西北農大的克隆山羊（圓圓和羊羊）、克隆牛（中科院動物所）、克隆猴問世。

5、克隆人?第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二

隆人已經不是科幻小說里的夢想，而是呼之欲出的現(xiàn)實。目前，已有三個國外組織正式宣布他們將進行克隆人的實驗，美國肯塔基大學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，計劃在兩年內克隆出一個人來。由于克隆人可能帶來復雜的后果，一些生物技術發(fā)達的國家，現(xiàn)在大都對此采取明令禁止或者嚴加限制的態(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)個小孫悟空的離奇故事，表達了人類對復制自身的幻想。上世紀初，韋伯（H.J.Webber）創(chuàng)造了“克隆”這一詞，其含義指由單個祖先個體經過無性繁殖而產生的其他個體。１９３８年，德國科學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《復制人》）的書。第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二

如今，人們在談到“克隆人”時常常會問，克隆愛因斯坦則罷了，如果有人克隆希特勒那樣的狂人怎么辦？其實，這都是對克隆技術的誤解。1976年，科幻作家伊拉?萊文出版了一本極受歡迎的小說《巴西男孩》，就對這種誤解進行了批判。這部作品圍繞著潛逃的納粹醫(yī)生門格爾的陰謀展開。在納粹德國行將覆滅時，門格爾受命潛入巴西，利用希特勒的基因制造了九十六個后代，后來分別寄養(yǎng)在九十六個家庭里?！栋臀髂泻ⅰ犯嬖V大家，究竟是克隆希特勒，還是克隆愛因斯坦都無關緊要，重要的是環(huán)境和教育?？寺〉膼垡蛩固谷绻钤诮裉欤峙轮荒茏饕粋€普通的大學教授。因為僅靠個人天才就能完成重大科學發(fā)現(xiàn)的時代已經過去了。而克隆出的希特勒如果生活在今天，無非會是德國的一個議員，市長，或者是一個職業(yè)畫家。因為當年產生種族主義的環(huán)境今天在歐洲已不復存在。

第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二克隆人的法律地位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系帶來的混亂

a克隆人沒有監(jiān)護人

b克隆人的人格權和榮譽權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更重要。第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二

6、兩個有關的認識難點

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

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

四、細胞分化與基因的時空表達

1、差別基因表達和基因時空表達

兩類基因：

（1）管家基因

第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二

a、概念：是對維持細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DNA序列，在各種細胞中處于活性表達狀態(tài)，如rRNA、tRNA基因、組蛋白基因等。

（2）奢侈基因

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

第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二

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

c、功能：這些基因及表達產物在細胞分化中起關鍵作用。

d、表達特點：是受到嚴格的時空表達調控的，即它們只在特定的發(fā)育階段（時間），特定的組織（空間）才出現(xiàn)表達。人類基因組的3-4萬個基因不會同時表達，實際上只有1-2%的基因在表達，其它基因關閉，處于沉默狀態(tài)。

（3）差別基因表達：

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

第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二（4）基因的時空表達：

a、著名的例子是人類紅細胞不同分化階段，由于表達基因不同，而產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。在個體發(fā)育中，胚胎期是以胚胎血紅蛋白(四個亞基構成，分別為兩個ε亞基和兩個ζ亞基

）為主，嬰兒期是以嬰兒血紅蛋白(四個亞基構成，分別為兩個α亞基和兩個γ亞基

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

）。

2、細胞分化程度與基因時空表達的關系

a、分化程度很低的早期胚胎細胞的發(fā)育潛能：具有全能性或多能性，是因為這些細胞在未來的發(fā)育階段上，發(fā)生差別基因表達的可能性大；第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二b、對特化細胞而言：發(fā)育潛能已經變得十分有限。因為盡管它們的細胞核具有一整套基因組，但是按照基因時空表達的程序表，它們還能夠發(fā)生差別基因表達的可能性已經極少了。如小朋友和老年人的可塑性比較。

五、細胞質在細胞分化中的重要作用

1、動物特化細胞喪失全能性的原因

既然動物特化細胞的細胞核與植物特化細胞的細胞核一樣，保持有全能性，為什么動物特化細胞不能像植物特化細胞那樣也具有發(fā)育潛能的全能性？第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二a、細胞全能性＝胞核全能性+細胞質全能性

b、動物特化細胞的細胞核＝植物特化細胞的細胞核＝具有全能性

c、動物細胞失去全能性＝細胞質失去全能性。

細胞核移植實驗有一個共同的特點，就是必須將細胞核移植到去核的卵細胞或受精卵中，這就證實了動物特化細胞本身的細胞質失去了全能性，只有把核移植到具有全能性的卵細胞質中，才能夠恢復整個細胞的全能性。第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二2、動物卵細胞質對細胞分化的調控

（1）卵細胞質的結構：大多數(shù)動物的卵呈現(xiàn)圓球形、內部物質不均一分布對細胞分化發(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，原生質比較集中，卵裂進行比較快。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，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出現(xiàn)分區(qū)現(xiàn)象，不均一現(xiàn)象決定了隨后的卵裂細胞的不同分化命運。

第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二（3）決定子：卵細胞質中不均一分布著某些決定細胞分化命運的物質，叫—。如蠅卵的極質是性細胞決定子—生殖質。馬蛔蟲的生殖質在植物極這一端。圖5-6。

A、正常：只有植物極（下）這一端的細胞分化成生殖干細胞；

B、離心：混合（作用是將兩極物質混合）后，第一次卵裂的兩個子細胞全部分化為生殖干細胞。第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二3、細胞分化決定子的性質

a、概念：是儲存于成熟卵細胞的細胞質中的遺傳調控信息即多種mRNA。b、

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

第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二4、隱蔽mRNA的特點：4個

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

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

b、隱蔽的mRNA在卵母細胞中貯存時，基本上是處于非活性狀態(tài)，在受精后被激活。其激活機制是Na+濃度的改變。第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二c、隱蔽mRNA在受精后激活，其指導的翻譯決定了細胞分化。實驗表明，用抑制翻譯合成的化學藥劑（嘌呤霉素）處理受精卵，抑制翻譯活動，結果細胞分化完全終止。

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

第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二六、內外環(huán)境對細胞分化的影響1、激素對細胞分化的調控作用（1）概念：是由多種內分泌腺體排到體液或血液中的信號效應物質，在遠距離的細胞之間起著信息傳遞作用。靶細胞：受其調控的細胞叫—。它具有激素受體（2）激素的種類：a、生長激素：由腦垂體分泌，促進細胞生長和蛋白質合成。

第44頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二b、甲狀腺素：由甲狀腺分泌，能刺激組織生長、成熟和分化、促進細胞代謝。

c、腎上腺皮質激素：由腎上腺分泌，對許多器官的后期發(fā)育有重要的調節(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)育早期的影響是嚴重的，如營養(yǎng)不良、高燒、有毒物質、放射線等導致胎兒先天畸形。

第45頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二

七、“多莉”克隆羊研究的科學意義

1、首次證實了哺乳動物成體的特化細胞細胞核仍具有發(fā)育全能性

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

2、首次證實了哺乳動物特化細胞的發(fā)育潛能有可能在人為條件下發(fā)生逆轉分化，并探索了實現(xiàn)去分化→再分化的實驗技術

3、證明克隆動物不是100%的復制。第46頁，共50頁，2023年，2月20日，星期二（1）再生現(xiàn)象：即某些生物個體由于外傷，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。自體修復的再生現(xiàn)象的本質是細胞分化逆轉的特殊形式。（2）再生的潛