大連工業(yè)大學細胞生物學第十一章-細胞分化與基因表達調(diào)控

第十一章細胞分化與基因表達調(diào)控精子卵受精卵分化新個體發(fā)育Celldifferentiation當前1頁，共61頁，星期日。

卵裂和胚泡形成受精卵卵裂桑椹胚胚泡當前2頁，共61頁，星期日。胚泡腔滋養(yǎng)層內(nèi)細胞群胚端滋養(yǎng)層胚泡于受精后第4-5天形成，并進入子宮。胚泡形成胚泡當前3頁，共61頁，星期日。三胚層胚盤及相關結構的形成（第三周）部分上胚層細胞增殖---原條頭部—原結中心淺凹---原凹原條上胚層形成：外胚層 中胚層 內(nèi)胚層當前4頁，共61頁，星期日。當前5頁，共61頁，星期日。當前6頁，共61頁，星期日。分化的主要標志：細胞內(nèi)開始合成新的特異性蛋白質(zhì)細胞分化的關鍵：由于細胞選擇性表達合成特異性蛋白質(zhì)，導致形態(tài)、結構和功能各異的細胞細胞分化(celldifferentiation)：指受精卵開始的個體發(fā)育過程中細胞之間逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定性差異的過程。第一節(jié)細胞分化和細胞決定當前7頁，共61頁，星期日。

細胞分裂細胞分裂

受精卵――――--胎兒――――----成人

細胞分化細胞分化

細胞分裂使細胞數(shù)目增加細胞分化使細胞功能分工受精卵胎兒成人細胞分裂、生長細胞分化當前8頁，共61頁，星期日。增殖增殖如果只有細胞增殖，沒有細胞分化，就只能形成一細胞團，而不能形成人體。當前9頁，共61頁，星期日。通常，細胞分化是指細胞表型變化：神經(jīng)細胞具有傳導神經(jīng)信息的功能（伸出長的突起）肌細胞具有收縮功能（呈梭形或柱形）

紅細胞具有攜帶氧和二氧化碳的功能（呈圓盤狀）

表皮細胞具有保護功能（呈扁平形）

分化分化分化分化當前10頁，共61頁，星期日。細胞分化的表現(xiàn)是產(chǎn)生不同結構和功能的細胞，其實質(zhì)是由于特異功能蛋白質(zhì)的合成。如：神經(jīng)細胞

傳導神經(jīng)信息

神經(jīng)遞質(zhì)；肌細胞

收縮作用

肌動蛋白和肌球蛋白；成熟的紅細胞

運輸氧和二氧化碳

血紅蛋白；表皮細胞

保護作用

角蛋白當前11頁，共61頁，星期日。一、細胞分化的特點：

１．穩(wěn)定性：即在正常生理條件下，細胞的分化狀態(tài)一旦確定，將終生不變，既不能逆轉(zhuǎn)也不能互變。當前12頁，共61頁，星期日。

２．去分化：在一定條件下，高度分化的細胞可以重新分裂而回得到胚性細胞狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做去分化(dedifferentiation)例如：

射線、藥物、毒物...正常分化的細胞癌細胞不正常條件當前13頁，共61頁，星期日。1958年有人用野生胡蘿卜游離的韌皮部細胞進行體外培養(yǎng)的實驗中，觀察到已經(jīng)高度分化的細胞可以重新分裂而回得到胚性細胞狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做去分化或稱脫分化，然后通過再分化形成根莖，最終發(fā)育成完整的新植株。當前14頁，共61頁，星期日。轉(zhuǎn)分化：在一定的條件下哺乳動物的細胞也可以轉(zhuǎn)化成另一種分化細胞。

如：人皮膚基底層細胞

角化細胞

粘膜上皮細胞或具有纖毛的上皮細胞。

培養(yǎng)基中缺乏維生素A培養(yǎng)基中富含維生素A當前15頁，共61頁，星期日。發(fā)育具有很大影響，在一定程當前19頁，共61頁，星期日。不同PRO遠距離細胞之間也有相互作用。表明哺乳類動物早期胚胎細胞發(fā)育到８細胞期仍是全能的。如血紅蛋白、肌動蛋白、分泌蛋白等。一、影響細胞分化的內(nèi)在因素3外胚層細胞質(zhì)表皮其一是不對稱分裂，即一個干細胞分裂后所產(chǎn)生的兩個子細胞中，一個仍為干細胞，另一個則分化為功能細胞；當前17頁，共61頁，星期日。胚胎期是重要的細胞分化時期三胚層胚盤及相關結構的形成（第三周）細胞分化發(fā)生于細胞增殖的Ｇ１期多能干細胞第一節(jié)細胞分化和細胞決定３、細胞分化具有時間性和空間性

單細胞生物：時間性多細胞生物：時間性＋空間性４、生物體普遍存在分化

胚胎期是重要的細胞分化時期當前16頁，共61頁，星期日。細胞決定的物質(zhì)：卵細胞質(zhì)二、細胞決定細胞決定（Determination）是指細胞在發(fā)生可識別的分化特征之前，就已確定了未來的發(fā)育命運，并向著特定方向分化，稱為細胞決定。當前17頁，共61頁，星期日。證明：胚胎移植實驗當前18頁，共61頁，星期日。（一）遺傳穩(wěn)定性

果蠅成蟲盤細胞的移植實驗（二）決定制約著細胞分化的方向當前19頁，共61頁，星期日。當前20頁，共61頁，星期日。三、具有全能性的細胞與細胞核細胞全能性：單個細胞經(jīng)分裂和分化后仍具有發(fā)育成完整個體的能力受精卵和桑椹胚期的８細胞前的細胞在胚胎發(fā)育過程中，由全能

多能

單能的發(fā)育趨向，是細胞分化的一個普遍規(guī)律當前21頁，共61頁，星期日。多能細胞全能細胞單能細胞當前22頁，共61頁，星期日。plantcell--totipotency當前23頁，共61頁，星期日。始終保持其分化全能性的細胞核爪蟾卵核移植實驗(經(jīng)典的實驗)爪蟾受精卵去細胞核植入表皮細胞的核正常幼體當前24頁，共61頁，星期日。始終保持其分化全能性的細胞核當前25頁，共61頁，星期日?？寺⊙颉岸嗬颉睂嶒灱?高度分化的細胞如乳腺細胞的核仍有全能性圖示當前26頁，共61頁，星期日。四、細胞分化在細胞增殖的基礎上進行的細胞分化發(fā)生于細胞增殖的Ｇ１期細胞的分裂能力往往隨著細胞分化程度的提高而有所下降當前27頁，共61頁，星期日。

第二節(jié)、細胞分化的分子基礎

奢侈基因（luxurygene）編碼決定細胞性狀的特異基因，對細胞自身生存無直接影響，是細胞向特殊類型分化的物質(zhì)基礎。如血紅蛋白、肌動蛋白、分泌蛋白等。管家基因(houseKeepinggene)維持細胞生命活動所必需的、各類細胞共有的，對細胞分化只起協(xié)助作用的基因。如膜蛋白、核糖體蛋白、線粒體蛋白等。當前28頁，共61頁，星期日。一、細胞分化是基因選擇性的表達基因差異表達：細胞分化并不是基因組DNA全部表達，而是奢侈基因按一定程序，有選擇地相繼活化表達不同細胞：相同DNA不同RNA不同PRO當前29頁，共61頁，星期日。分子雜交實驗證明：細胞分化是基因選擇性表達的結果分子雜交：DNA-DNA或DNA-RNA單鏈之間的互補序列在一定條件下通過堿基互補配對原則形成雙鏈的現(xiàn)象。當前30頁，共61頁，星期日。DNA-DNA雜交實驗：不同物種的DNA序列不能雜交，證明DNA有物種特異性；同一物種不同組織的DNA間能雜交，表明DNA無組織特異性。DNA-RNA雜交實驗：同一物種不同組織的DNA-RNA間的雜交不同，證明RNA有組織特異性。從分子水平看基因選擇表達

特異mRNA轉(zhuǎn)錄

特異蛋白質(zhì)合成

細胞分化當前31頁，共61頁，星期日。上述實驗證實一個動物體內(nèi)的不同類型細胞所含DNA相同，它們具有相同的基因。在發(fā)育的不同階段和不同類型的組織中發(fā)生差別基因表達，使RNA有所不同，由于編碼特異蛋白的結構基因在不同細胞中被選擇性地激活，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生了不同的mRNA，從不同的mRNA轉(zhuǎn)譯產(chǎn)生的蛋白質(zhì)就是專一的特異性蛋白質(zhì)。特異蛋白質(zhì)在細胞中出現(xiàn)就是細胞表型分化的標志。當前32頁，共61頁，星期日?；虿町惐磉_的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平（一）順式調(diào)控元件啟動子、增強子、沉默子等（二）反式作用因子（三）活性染色質(zhì)結構的特異調(diào)控區(qū)（四）ＤＮＡ甲基化（五）同源盒基因當前33頁，共61頁，星期日。果蠅唾液腺多線染色體膨松區(qū)的變化膨松區(qū)當前34頁，共61頁，星期日。第四節(jié)細胞分化的影響因素一、影響細胞分化的內(nèi)在因素卵細胞質(zhì)細胞核的作用核質(zhì)相互作用當前35頁，共61頁，星期日。（一）卵細胞質(zhì)的作用卵細胞質(zhì)的作用：細胞決定，即決定細胞分化的方向。作用時間：胚胎發(fā)育早期（卵裂期）當前36頁，共61頁，星期日。315421神經(jīng)細胞質(zhì)神經(jīng)細胞2脊索細胞質(zhì)脊髓細胞3外胚層細胞質(zhì)表皮4中胚層細胞質(zhì)肌肉骨5內(nèi)胚層細胞質(zhì)腺細胞及消化道上皮蛙卵蛙受精卵的細胞質(zhì)是不均質(zhì)的，這種不均質(zhì)性,對胚胎的早期發(fā)育具有很大影響，在一定程度上決定細胞的早期分化以蛙為例：當前37頁，共61頁，星期日。例如，將蛙受精卵卵裂早期的分裂球分離培養(yǎng)，只是含有灰新月物質(zhì)的分裂球才能正常發(fā)育。圖示當前38頁，共61頁，星期日。（二）細胞核的作用在細胞分化中，細胞核起著重要或決定性的作用。第一、遺傳物質(zhì)決定性狀，而遺傳物質(zhì)位于細胞核內(nèi)。第二、從全能細胞多能細胞單能細胞，是細胞核內(nèi)基因選擇性表達的結果。當前39頁，共61頁，星期日。核質(zhì)相互作用

細胞核中的基因?qū)毎|(zhì)的代謝起調(diào)節(jié)作用；細胞質(zhì)對核內(nèi)基因的活性有控制作用；因此，核質(zhì)的作用是相互的，緊密聯(lián)系著的，共同影響著細胞分化。當前40頁，共61頁，星期日。1、細胞相互作用誘導細胞2、激素對細胞分化的作用3、位置信息對細胞分化的作用４、外環(huán)境影響細胞決定（二）影響細胞分化的外在因素當前41頁，共61頁，星期日。１、細胞相互作用誘導細胞分化胚胎誘導是胚胎形成中有序分化的重要因素。能對其它細胞起誘導作用的細胞稱誘導者（inductor），接受誘導的組織或細胞稱為反應者。

胚胎誘導

（embryonicinduction）在胚胎發(fā)育過程中，一部分細胞對鄰近的另一部分細胞產(chǎn)生影響，并決定其分化方向的作用稱為胚胎誘導。（1）胚胎誘導當前42頁，共61頁，星期日。胚胎誘導分為三級：

初級誘導：如脊索中胚層誘導其表面的外胚層發(fā)育神經(jīng)板；次級誘導：如神經(jīng)板卷成神經(jīng)管后，前端膨大成原腦，其兩側(cè)突出的視杯再誘導其上方的外胚層形成晶狀體，為次級誘導三級誘導：晶狀體再誘導其表面的外胚層形成角膜，為三級誘導。當前43頁，共61頁，星期日。脊索中胚層外胚層神經(jīng)板前腦-視杯神經(jīng)管外胚層晶狀體外胚層角膜當前44頁，共61頁，星期日。圖示當前45頁，共61頁，星期日。２、激素對細胞分化的作用在胚胎發(fā)育晚期或胚后發(fā)育中。遠距離細胞之間也有相互作用。如甲狀腺素可引起蝌蚪變態(tài)；性激素刺激第二性征的出現(xiàn)。激素分多肽類：與膜受體結合第二信使調(diào)節(jié)基因活動甾類：與胞內(nèi)受體結合調(diào)節(jié)基因活動當前46頁，共61頁，星期日。３、位置信息對細胞分化的作用４、環(huán)境因素影響細胞的分化蜥蜴的性別發(fā)育：Ｔ當前47頁，共61頁，星期日。滋養(yǎng)外胚層內(nèi)細胞團嵌合體實驗當前48頁，共61頁，星期日。一、影響細胞分化的內(nèi)在因素當前58頁，共61頁，星期日。當前55頁，共61頁，星期日。3、位置信息對細胞分化的作用當前43頁，共61頁，星期日。特異蛋白質(zhì)在細胞中出現(xiàn)就是細胞表型分化的標志。當前12頁，共61頁，星期日。三、具有全能性的細胞與細胞核一、影響細胞分化的內(nèi)在因素胞分化的方向。當前8頁，共61頁，星期日。神經(jīng)細胞傳導神經(jīng)信息神經(jīng)遞質(zhì)；細胞的分裂能力往往隨著細胞分化程度的提高而有所下降分子雜交實驗證明：細胞分化是基因選擇性表達的結果根據(jù)機體發(fā)育時期的不同，將機體干細胞分為細胞異常分化可引起細胞癌變細胞癌變是細胞去分化的結果

低分化和高增殖腫瘤細胞的分化特征癌細胞是由正常細胞轉(zhuǎn)化而來，表現(xiàn)為去分化或無序分化，分化程度與惡性程度成反比。腫瘤細胞可被誘導向正常細胞分化當前49頁，共61頁，星期日。第二節(jié)干細胞干細胞（stemcell)：通常把機體中具有自我復制能力并能在一定條件下分化形成一種以上類型細胞的多潛能細胞稱為干細胞。當前50頁，共61頁，星期日。干細胞分類根據(jù)分化能力的大小，可將機體干細胞分為：全能干細胞多能干細胞單能干細胞根據(jù)機體發(fā)育時期的不同，將機體干細胞分為胚胎干細胞成體干細胞當前51頁，共61頁，星期日。胚胎干細胞成體干細胞當前52頁，共61頁，星期日。干細胞的基本特性通常呈圓形且具有不同的生化特性角蛋白15:表皮干細胞巢蛋白:NSC增殖速度通常很慢不同干細胞具有不同的分化潛能干細胞的增殖與分化主要受其微環(huán)境的調(diào)控當前53頁，共61頁，星期日。一、胚胎干細胞的分化

胚胎干細胞：胚胎干細胞(embryonicstemcell，簡稱ES細胞)是指存在于早期胚胎中，具有多分化潛能的細胞。受精卵及卵裂早期（桑甚胚期以前）的每一個細胞都有發(fā)育成一個完整機體的潛能，這些細胞稱為全能干細胞，它們具有發(fā)育的全能性。當前54頁，共61頁，星期日。選擇地相繼活化表達在細胞分化中，細胞核起著重要或決定性的作用。2脊索細胞質(zhì)脊髓細胞胚胎誘導（embryonicinduction）當前4頁，共61頁，星期日。通常呈圓形且具有不同的生化特性第二、從全能細胞多能細胞單能細胞，是細胞核內(nèi)基因選擇性表達的結果。同一物種不同組織的DNA間能雜交，表明DNA無組織特異性。利用ES細胞的基因突變來研究細胞分化過程中某些基因的功能等。２．去分化：在一定條件下，高度分化的細胞可以重新分裂而回得到胚性細胞狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做去分化(dedifferentiation)受精卵及卵裂早期（桑甚胚期以前）的每一個細胞都有發(fā)育成一個完整機體的潛能，這些細胞稱為全能干細胞，它們具有發(fā)育的全能性。表明哺乳類動物早期胚胎細胞發(fā)育到８細胞期仍是全能的。3外胚層細胞質(zhì)表皮細胞核中的基因?qū)毎|(zhì)的代謝起調(diào)節(jié)作用；一、影響細胞分