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1、醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化分化第15章 細(xì)胞分化v細(xì)胞分化的基本概念細(xì)胞分化的基本概念v細(xì)胞分化的分子基礎(chǔ)細(xì)胞分化的分子基礎(chǔ)v細(xì)胞分化的影響因素細(xì)胞分化的影響因素v細(xì)胞分化細(xì)胞分化與與醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)2醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化多細(xì)胞個(gè)體發(fā)育過(guò)程與細(xì)胞分化潛能概念：細(xì)胞分化(cell differentiation)個(gè)體發(fā)育過(guò)程中 細(xì)胞在結(jié)構(gòu)和功能上 發(fā)生差異的過(guò)程，包括：胚胎發(fā)育、胚后發(fā)育胚胎發(fā)育：卵裂、囊胚、原腸胚、神經(jīng)軸胚期、器官發(fā)生胚后發(fā)育：幼體從卵膜孵化出/幼體從母體分娩 后，幼年成年老年衰老死亡細(xì)胞分化 起始于：原腸胚形成后，胚胎期典型，貫穿個(gè)體發(fā)育整個(gè)過(guò)程動(dòng)物和人類胚胎的三胚層

2、代表不同類型細(xì)胞的分化去向卵裂 cleavage：受精卵 快速反復(fù) 有絲分裂 時(shí)期囊胚 blastula：卵裂形成的 中空球狀 形體原腸胚 gastrula：細(xì)胞出現(xiàn)可識(shí)別差異，出現(xiàn) 內(nèi)、中、外 三胚層，不同分化去向細(xì)胞分化的基本概念3醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化細(xì)胞分化的基本概念內(nèi)胚層 endoderm：消化道及其附屬器官、唾液腺、胰腺、肝臟、肺（多為 上皮成分）中胚層 mesoderm：骨骼、肌肉、纖維 組織、真皮、心血管系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)外胚層 ectoderm：神經(jīng)系統(tǒng)、表皮及其 附屬物4醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化細(xì)胞分化的潛能隨個(gè)體發(fā)育進(jìn)程逐漸“縮窄”兩棲類 囊胚前，哺乳類 8細(xì)胞胚 及之前，均能

3、在一定條件下 分化發(fā)育成 完整的個(gè)體 全能性細(xì)胞 totipotent cell三胚層 形成后，細(xì)胞空間位置、微環(huán)境的差異，使分化潛能被限制，各胚層細(xì)胞 只能向本胚層組織和器官方向 分化發(fā)育，成為 多能細(xì)胞 pluripotent cell 經(jīng)過(guò)器官發(fā)生，各種組織細(xì)胞的命運(yùn)最終確定，呈單能化unipotency細(xì)胞分化的一般規(guī)律：全能多能單能多數(shù)植物、少數(shù)動(dòng)物（如 低等水螅）體細(xì)胞 仍具“全能性”高等動(dòng)物和人類，成體期時(shí)，部分組織器官保留部分微分化的組織干細(xì)胞，其余均為 終末分化細(xì)胞細(xì)胞分化的基本概念5醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化胚胎干細(xì)胞細(xì)胞分化的基本概念6醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化成體干細(xì)胞細(xì)胞分化

4、的基本概念7醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化終末分化細(xì)胞的細(xì)胞核具有全能性細(xì)胞分化：全能多能單能終末細(xì)胞細(xì)胞核：總是 全能性 全能性 細(xì)胞核 totipotent nucleus20世紀(jì)60年代，非洲爪蟾 核移植 首次證明：終末分化細(xì)胞的核，依舊 具有全能性細(xì)胞分化的基本概念8醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化細(xì)胞分化的基本概念1997年，英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)研究所，第一次成功克隆出哺乳動(dòng)物“多莉”（Dolly）特化體細(xì)胞的細(xì)胞核仍保留正常個(gè)體的全套基因，具有潛在全能性9醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化細(xì)胞分化的基本概念細(xì)胞決定與細(xì)胞分化胞細(xì)胞決定先于細(xì)胞分化并制約著分化的方向細(xì)胞決定 cell determination：在個(gè)體

5、發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞在發(fā)生可識(shí)別的分化特征之前就已經(jīng)確定了未來(lái)的發(fā)育命運(yùn)，只能向特定方向分化的狀態(tài)原腸期的三胚層形成時(shí)，形成各器官的預(yù)定區(qū)已經(jīng)確定，只能按一定的規(guī)律發(fā)育分化成特定的組織、器官和系統(tǒng)胚胎移植實(shí)驗(yàn)：證明 細(xì)胞決定兩棲類 早起原腸胚晚期原腸胚 之間某個(gè)時(shí)刻 細(xì)胞決定10醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化細(xì)胞分化方向的決定因素未知細(xì)胞決定的影響因素：卵細(xì)胞極性、早期胚胎細(xì)胞的不對(duì)稱分裂；早期胚胎細(xì)胞間的相互作用細(xì)胞的不對(duì)稱分裂，胞質(zhì)中 mRNA+轉(zhuǎn)錄因子(RNP)分布不均，導(dǎo)致差異細(xì)胞決定具有遺傳穩(wěn)定性典型的例子是果蠅成蟲(chóng)盤(pán)(幼蟲(chóng)體內(nèi) 已決定尚未分化)細(xì)胞的連續(xù)多次移 植實(shí)驗(yàn)，細(xì)胞的決定狀態(tài)非常穩(wěn)定，

6、可以遺傳細(xì)胞決定的可逆性 轉(zhuǎn)決定 transdetermination細(xì)胞分化的決定機(jī)制研究策略：基因敲除的模式生物，找出相關(guān)基因；研究ES細(xì)胞，找到其向三胚層細(xì)胞分化的決定因子細(xì)胞分化的基本概念11醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化細(xì)胞分化的基本概念細(xì)胞分化的可塑性細(xì)胞分化具有高度的穩(wěn)定性細(xì)胞分化的穩(wěn)定性：正常生理?xiàng)l件下，已分化細(xì)胞 不能 逆轉(zhuǎn)到未分化狀態(tài) 或 分化成其他類型細(xì)胞已分化的終末細(xì)胞 在形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能上 保持穩(wěn)定 是個(gè)體生命活動(dòng)的基礎(chǔ)細(xì)胞分化具有可塑性細(xì)胞分化的可塑性（研究熱點(diǎn)）：在特殊條件下，已分化的細(xì)胞 重新進(jìn)入 未分化狀態(tài) 或轉(zhuǎn)分化 為另一類型細(xì)胞的現(xiàn)象已分化的細(xì)胞可發(fā)生去分化：通常，

7、細(xì)胞分化過(guò)程不可逆；在某些條件下，分化的細(xì)胞不穩(wěn)定，其基因活動(dòng)模式也可發(fā)生可逆性的變化，又回到未分化狀態(tài)，這一變化過(guò)程稱為 去分化 dedifferentiation 去分化 例子：植物細(xì)胞、兩棲類再生、人類的腫瘤，但是體細(xì)胞難以去分化為 全能性細(xì)胞。近年來(lái)的iPS 誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。12醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPS)http:/ 轉(zhuǎn)分化 transdifferentiation水母橫紋肌相關(guān)細(xì)胞外基質(zhì)=橫紋肌水母橫紋肌相關(guān)細(xì)胞外基質(zhì)=平滑肌+神經(jīng)元等神經(jīng)元+特定條件=血細(xì)胞+脂肪細(xì)胞無(wú)論是動(dòng)物還是植物，細(xì)胞分化的穩(wěn)定性是普遍存在的，而分化的可逆性，即發(fā)生細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化或去分化是有

8、條件的細(xì)胞分化的基本概念14醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化細(xì)胞重編程可以改變細(xì)胞的分化狀態(tài)細(xì)胞重編程 cellular reprogramming：將成熟終末分化細(xì)胞 逆轉(zhuǎn)為原始的多能、甚至全能干細(xì)胞狀態(tài)的過(guò)程例子：SCNT 體細(xì)胞核移植(動(dòng)物克隆)；iPS（induced pluripotent stem cell）細(xì)胞分化的時(shí)空性一個(gè)細(xì)胞在不同的發(fā)育階段可以有不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能，即時(shí)間上的分化；同一種細(xì)胞的后代，由于每種細(xì)胞所處的空間位置不同，其環(huán)境也不一樣，可以有不同的形態(tài)和功能，即空間上的分化細(xì)胞分裂與細(xì)胞分化細(xì)胞分裂和細(xì)胞分化 個(gè)體發(fā)育過(guò)程中的兩個(gè)重要事件：在細(xì)胞分裂基礎(chǔ)上 分化；分化發(fā)生

9、在G1期，細(xì)胞分裂快速 細(xì)胞分化減慢，分裂速度慢 細(xì)胞分化程度高細(xì)胞分化的基本概念15醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化基因組的活動(dòng)模式基因的選擇性表達(dá)是細(xì)胞分化的普遍規(guī)律細(xì)胞分化過(guò)程 并不是基因丟失或永久性失活，基因組不改變基因組活動(dòng)模式：在個(gè)體發(fā)育中，基因按照一定時(shí)空順序，差異表達(dá)differential expression奢侈基因 luxury gene：在特定類型細(xì)胞表達(dá)，以執(zhí)行此類細(xì)胞特定功能的基因(賦予此類細(xì)胞 特定的特征)管家基因 house-keeping gene：在各類細(xì)胞都表達(dá)，維持細(xì)胞存活、生長(zhǎng)的必需基因細(xì)胞分化的本質(zhì)：基因的選擇性表達(dá)，一些基因處于活化狀態(tài)，同時(shí)另一些基因被抑制

10、而不活化細(xì)胞分化的分子基礎(chǔ)16醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化基因組改變是細(xì)胞分化的特例基因擴(kuò)增：果蠅的唾液腺細(xì)胞和卵巢濾泡細(xì)胞等，在分化中 特定基因選擇性擴(kuò)增，甚至 染色體多次復(fù)制，形成多倍體 polyploid 和多線體 polyteny 染色體丟失：馬蛔蟲(chóng)個(gè)體發(fā)育中，只有生殖細(xì)胞得到了完整染色體，體細(xì)胞中的染色體只是部分染色體片段，其余丟失；哺乳動(dòng)物（除駱駝外）的紅細(xì)胞以及皮膚、羽毛和毛發(fā)的角化細(xì)胞則丟失了完整的核DNA重排：脊椎動(dòng)物免疫細(xì)胞發(fā)育中，分泌抗體的B淋巴細(xì)胞 分化的本質(zhì)是編碼抗體分子的基因 發(fā)生重排，分化中 DNA通過(guò) 體重組 somatic recombination,使DNA序列中

11、 不同部位的 部分基因片段連接在一起，組成產(chǎn)生抗體mRNA的 DNA序列多種多樣抗體分子細(xì)胞分化的分子基礎(chǔ)17醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化胞質(zhì)中的細(xì)胞分化決定因子與傳遞方式母體效應(yīng)基因產(chǎn)物的極性分布決定了細(xì)胞分化和發(fā)育的命運(yùn)成熟卵細(xì)胞中儲(chǔ)存25萬(wàn)種RNA，大多是mRNA(受精后翻譯)，在卵質(zhì)中分布不均，決定細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)母體因子：在卵質(zhì)中呈極性分布、受精后被翻譯 為在胚胎發(fā)育中起重要作用的轉(zhuǎn)錄因子和翻譯調(diào) 節(jié)蛋白的mRNA分子編碼母體因子的基因母體效應(yīng)基因 maternal effect gene：在卵子發(fā)生過(guò)程中表達(dá)，產(chǎn)物存留 于卵子中，受精后影響胚胎發(fā)育的基因如：果蠅bicoid 基因的mRNA，

12、定位于卵子一端，受精后翻譯成BICOID蛋白，存在梯度，決定了 胚胎的前后軸細(xì)胞分化的分子基礎(chǔ)18醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化胚胎細(xì)胞分裂時(shí)胞質(zhì)的不均等分配影響細(xì)胞的分化命運(yùn)受精卵及早期胚胎中，胞質(zhì)成分分布有區(qū)域性，隨細(xì)胞分裂被不均等分配到子細(xì)胞中，調(diào)控不同子細(xì)胞的基因表達(dá)，決定細(xì)胞早期分化如 果蠅感覺(jué)器官發(fā)育中，起決定性作用的 numb 基因產(chǎn)物（numb蛋白 對(duì)神經(jīng)元及鞘層細(xì)胞的形成是 必需的）基因選擇性表達(dá)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控細(xì)胞分化的本質(zhì)，即基因的差異性表達(dá)，其 調(diào)控主要發(fā)生在 轉(zhuǎn)錄水平基因的時(shí)序性表達(dá)從受精卵開(kāi)始，胚胎不同發(fā)育階段，會(huì)有不同 基因嚴(yán)格按照特定時(shí)間順序開(kāi)啟、關(guān)閉如 血紅蛋白的時(shí)序性

13、表達(dá)細(xì)胞分化的分子基礎(chǔ)19醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化脊椎動(dòng)物的血紅蛋白是四個(gè)亞基組成：2條-珠蛋白鏈 和2條-珠蛋白鏈，-珠蛋白和-珠蛋白 基因 定位于不同染色體上，均由基因簇構(gòu)成在發(fā)育不同時(shí)期，表達(dá)基因簇中不同基因，構(gòu)成血紅蛋白四亞基-珠蛋白基因簇 上游10000bp處 基因座控制區(qū) locus control region,LCR 調(diào)控不同發(fā)育時(shí)期 不同-珠蛋白基因的表達(dá)-珠蛋白基因簇的 LCR區(qū) 含300bp的 4個(gè)調(diào)控區(qū)，均有與 特異性轉(zhuǎn)錄因子 結(jié)合位點(diǎn)細(xì)胞分化的分子基礎(chǔ)20醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化基因的組織細(xì)胞特異性表達(dá)參與基因表達(dá)調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子分為：通用轉(zhuǎn)錄因子：大量基因轉(zhuǎn)錄所需要 并在

14、許多細(xì)胞類型中都存在的因子；組織細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子：特定基因或一系列組織特異性基因所需要，在一種或很少的幾種細(xì)胞類型中存在的因子細(xì)胞特異性的基因表達(dá) 是由于 僅存于某種類型細(xì)胞中的 組織細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子與 基因的調(diào)控區(qū) 相互作用的結(jié)果 個(gè)體發(fā)育或細(xì)胞分化期間 被激活的基因通常有 復(fù)雜的調(diào)控區(qū)，受多種轉(zhuǎn)錄因子作用，并受轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)蛋白的制約細(xì)胞分化過(guò)程中基因表達(dá)調(diào)控的復(fù)雜性個(gè)體發(fā)育中，祖細(xì)胞與分化細(xì)胞的先后連續(xù)的宗系關(guān)系，稱為：細(xì)胞譜系 cell lineage轉(zhuǎn)錄因子/轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白 作用方式：一種轉(zhuǎn)錄因子 同時(shí)調(diào)控幾個(gè)細(xì)胞分化的分子基礎(chǔ)21醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化基因的表達(dá)，如 某些基因激活、

15、另一些基因關(guān)閉；某個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄起始 受一個(gè) 基因調(diào)節(jié)蛋白組合的調(diào)控1.一個(gè)關(guān)鍵基因調(diào)節(jié)蛋白的表達(dá)能夠啟動(dòng)特定譜系細(xì)胞的分化個(gè)體發(fā)育中，關(guān)鍵基因調(diào)節(jié)蛋白的表達(dá)，能引發(fā)一系列下游基因的表達(dá)，某些基因永久關(guān)閉，某些基因持續(xù)激活，從而誘導(dǎo)細(xì)胞沿某一分化途徑增殖，導(dǎo)致特定譜系細(xì)胞的發(fā)育；具有這種正反饋?zhàn)饔玫年P(guān)鍵基因調(diào)節(jié)蛋白，通常稱為細(xì)胞分化 主導(dǎo)基因 master control gene如 哺乳動(dòng)物成肌細(xì)胞向肌細(xì)胞分化過(guò)程中，myoD基因起重要作用，是肌前體細(xì)胞分化成肌細(xì)胞的 主導(dǎo)基因細(xì)胞分化的分子基礎(chǔ)22醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化經(jīng)myoD基因轉(zhuǎn)染的 成纖維 細(xì)胞及其他類型的細(xì)胞，也 能分化為肌細(xì)胞果蠅

16、、脊椎動(dòng)物的眼睛發(fā)育 中，單個(gè)基因調(diào)節(jié)蛋白，能 觸發(fā) 整個(gè)器官(眼睛)的形成2.一些基因調(diào)節(jié)蛋白的組合能產(chǎn)生許多類型的細(xì)胞基因調(diào)節(jié)蛋白的組合，意味著 許多基因調(diào)節(jié)蛋白 共同參與 影響轉(zhuǎn)錄效率多數(shù) 基因調(diào)節(jié)蛋白 存在于多種類型細(xì)胞中，在 體內(nèi)多個(gè)部位和發(fā)育期間 多次表達(dá)，從而誘導(dǎo) 產(chǎn)生多種類型的細(xì)胞細(xì)胞分化的分子基礎(chǔ)23醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞分化3.同源異形框基因的時(shí)空表達(dá)確定機(jī)體前-后軸結(jié)構(gòu)的分化與發(fā)育藍(lán)圖1983年，瑞士學(xué)者研究果蠅基因外顯子圖譜時(shí)發(fā)現(xiàn)，許多基因都含有一段相同的180bp的DNA，編碼高度同源的60個(gè)氨基酸組成的肽段；后來(lái)在小鼠、人類、酵母等眾多物種中都發(fā)現(xiàn) 這一180bp的相同DNA片段，稱之為 同源異形框 homeobox含有同源異形框的基因 謂之 同源異形框基因 homeobox gene，如果蠅的HOM 基因，動(dòng)物和人類的Hox基因由同源異形框基因 編碼的蛋白 稱為 同源異形域蛋白 homeodomain protein細(xì)胞分化的分子基礎(chǔ)高度保守的60個(gè)氨基酸片段，為一種 螺旋-環(huán)-螺旋（HLH）結(jié)構(gòu)，其中的9個(gè)氨基酸（第4250位）與DNA的大溝相結(jié)合，能識(shí)別其