1、细胞分化的分子机制细胞分化的分子机制 显微手术和基因组学揭开了发育控制之迷显微手术和基因组学揭开了发育控制之迷 基因克隆和测序展现出其分子机理基因克隆和测序展现出其分子机理 分子生物学与临床 本章内容：本章内容：细胞分化潜能与干细胞细胞分化潜能与干细胞 细胞分化与基因组变化细胞分化与基因组变化 基因表达与组织形成基因表达与组织形成 特异性蛋白基因表达的发育阶段性特异性蛋白基因表达的发育阶段性 基因表达的调控机制基因表达的调控机制 影响细胞分化的因素影响细胞分化的因素 细胞分化的潜能细胞分化的潜能 指多细胞生物成长发育中，在一些内在机制作用下，细胞在结构、形态、生理功能及生化特征等方面逐渐产生稳
2、定性差异，成为多种不同的细胞类型，以形成个体不同的组织、器官和系统。细胞分化细胞分化 受精卵发育按严格的模式和时间次序发展，发育初级的细胞并非包含成形的形体，而是具备发育为完整个体的潜力。这种潜力，来自一组称为干细胞的分化能力。在个体发育整个过程中，由于干细胞的存在使细胞分化不断进行。干细胞干细胞 干细胞有两方面区别于其它细胞的特征：干细胞有两方面区别于其它细胞的特征：1，可分化为与自身完全相同的细胞，可分化为与自身完全相同的细胞，2，可生产出特异性分化的细胞。可生产出特异性分化的细胞。根据个体发育过程中出现的先后次序不同，根据个体发育过程中出现的先后次序不同，干细胞可分为两类：干细胞可分为两
3、类：胚胎干细胞胚胎干细胞及及成体干细成体干细胞。胞。胚胎干细胞，胚胎干细胞，又称全能干细胞，又称全能干细胞，存在于未发育成熟的胚胎，高水平表达端粒酶，可分化为除构成脐胎盘，脐带等之外的任何一种特定类型细胞。即能长成动物的任何组织和器官。成体干细胞成体干细胞：特定组织中的非特异性细胞，能无限制地分裂和自我更新。所产生的子细胞有两种结果，一是保持亲代特性，仍作为干细胞；二是不可逆地向终末方向发展，成为一至几种类型的特定细胞。干细胞命运各不相同，但分化机制相似：干细胞命运各不相同，但分化机制相似：调控基因调控基因指导特异性基因的转录及特定蛋白指导特异性基因的转录及特定蛋白质的合成，从而细胞逐步发展为
4、具有专门功质的合成，从而细胞逐步发展为具有专门功能的特定细胞类型。能的特定细胞类型。同样，干细胞也对邻近细胞的生长信号同样，干细胞也对邻近细胞的生长信号发生反应，导致特定基因活化及相应蛋白质发生反应，导致特定基因活化及相应蛋白质合成，参与细胞分化，运动，或与其它细胞合成，参与细胞分化，运动，或与其它细胞作用以形成组织。作用以形成组织。19701970年年Martin EvansMartin Evans首次从小鼠胚囊中分离出小首次从小鼠胚囊中分离出小鼠胚胎干细胞。原被误认为功能单一的干细胞后鼠胚胎干细胞。原被误认为功能单一的干细胞后被证实具有自我复制能力，可分化为人体被证实具有自我复制能力，可分
5、化为人体206206种种组织器官的原始细胞；组织器官的原始细胞；19981998年在人胚囊内层细胞分离出人的胚胎干细胞，年在人胚囊内层细胞分离出人的胚胎干细胞，目前通过核移植技术获得人胚胎干细胞。目前通过核移植技术获得人胚胎干细胞。干细胞具有的干细胞具有的能够稳定生存增殖并能够稳定生存增殖并保持多向分化潜能的特性保持多向分化潜能的特性使其在遗使其在遗传性疾病和组织器官移植领域有巨传性疾病和组织器官移植领域有巨大的应用前景。大的应用前景。卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。北极或动物极：极体释放的部位；南极或植物极：相对北极而言，母体物质主要储存在于植物极。二、细胞分化的机理二、细胞分化的机理（一）
6、细胞分裂的不对称性（一）细胞分裂的不对称性 动物卵细胞中贮存有动物卵细胞中贮存有大量大量mRNA，呈非均匀分布；呈非均匀分布；用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵，胚胎发育仍能进行至囊胚期 用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵，受精卵停止发育。卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运。昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞的。迁入卵的后端极质部的细胞发育为原始生殖细胞，用紫外线照射这一区域，破坏极质，卵将发育为无生殖细胞的不育个体。母系基因产物控制卵的不对称分裂母系基因产物控制卵的不对称分裂 细胞的不对称分裂细胞的不对称分裂使姐妹细胞产生了差异使姐妹细
7、胞产生了差异 在细胞分裂时一些重要的分子被不均等地分配到两个子细胞中在细胞分裂时一些重要的分子被不均等地分配到两个子细胞中 1、胚胎诱导胚胎诱导(embryonic induction)：胚胎发育过程中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。诱导者(inductor)：对其它细胞起诱导作用的细胞：脊索可诱导其顶部外胚层发育成神经板，神经沟和神经管；视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体，而晶体又可诱导外胚层形成角膜。（二）细胞间的相互作用（二）细胞间的相互作用 进一步更复杂的模式由细胞间相互作用产生进一步更复杂的模式由细胞间相互作用产生 诱导的相互作用可以在原本等同的细胞中建立起有序的差异诱导
8、的相互作用可以在原本等同的细胞中建立起有序的差异 2、分化抑制：分化抑制：分化成熟的细胞可以产生抑素，抑制相邻细胞发生同样的分化。如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正常的心脏。3、细胞数量效应细胞数量效应 小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功能的胰腺组织，但如果把胰原基切成8小块分别培养，则都不能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。4、细胞外基质的影响细胞外基质的影响 干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞；在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞；在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。5、激素的作用激素的作用 如昆虫的保幼激素和
9、脱皮激素。1、染色体结构的变化染色体结构的变化 1）基因删除：原生动物、昆虫、甲壳动物。2）基因扩增：果蝇多线染色体。3）基因重排：免疫球蛋白基因（106108种抗体）。4）DNA的甲基化与异染色质化：胞嘧啶的甲基化使基因失活。（三）细胞核与细胞分化（三）细胞核与细胞分化 2、基因与细胞分化基因与细胞分化 无论是母体mRNA的作用还是细胞间的相互作用，其结果是启动特定基因的表达。根据对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明：卵受精后，首先表达的是母体基因；母体基因的产物是转录因子，沿胚的前后轴形成一个浓度梯度，决定了胚的前后位置和头尾区域；控制其它基因的表达：母体基因 间隙基因 成对基因体节极性基因同
10、源异形基因（homeotic gene，Hox）Gene and Development 母体基因 间隙基因 成对基因 体节极性基因 同源异形基因 生物体细胞中含有决定生长分裂和生物体细胞中含有决定生长分裂和分化的全部基因信息，按其与细胞分化分化的全部基因信息，按其与细胞分化的关系，可将这些基因分为两大类：的关系，可将这些基因分为两大类：奢奢侈基因侈基因和和管家基因管家基因 2 2 奢侈基因与管家基因奢侈基因与管家基因 奢侈基因奢侈基因(luxury gene)，编码细胞特，编码细胞特异性蛋白，与各种分化细胞的特定性状异性蛋白，与各种分化细胞的特定性状直接相关，这类基因对细胞自身生存无直接相关
11、，这类基因对细胞自身生存无直接影响。直接影响。如编码红细胞血红蛋白，肌细胞的如编码红细胞血红蛋白，肌细胞的肌球蛋白和肌动蛋白等的基因属此类。肌球蛋白和肌动蛋白等的基因属此类。管家基因管家基因(house keeping gene)，这类基因的表达产物为细胞生命活动持这类基因的表达产物为细胞生命活动持续需要和必不少，但与细胞分化的关系续需要和必不少，但与细胞分化的关系不大，在细胞分化中只起协助作用。不大，在细胞分化中只起协助作用。如如tRNAtRNA，rRNArRNA基因，催化能量代谢的基因，催化能量代谢的各种酶系，三羧酸循环中各种酶系等各种酶系，三羧酸循环中各种酶系等 从分子层次看，细胞分化主
12、要是奢侈从分子层次看，细胞分化主要是奢侈基因中基因中某种（或某些）特定基因选择某种（或某些）特定基因选择性表达的结果。性表达的结果。某些基因的选择性表某些基因的选择性表达合成了执行特定功能的蛋白质，从达合成了执行特定功能的蛋白质，从而产生特定的分化细胞类型。而产生特定的分化细胞类型。分化细胞的基因表达特征分化细胞的基因表达特征 一 基因组 成熟分化的细胞保留着全部核基因成熟分化的细胞保留着全部核基因组。组。相关实验：相关实验：19641964年年GurdonGurdon等进行的非洲爪蟾实验等进行的非洲爪蟾实验 19701970年年StewardSteward等用悬浮培养的胡萝卜单个等用悬浮培养
13、的胡萝卜单个 细胞培养成可育的胡萝卜植株。细胞培养成可育的胡萝卜植株。19971997年英国学者克隆出年英国学者克隆出 “多莉多莉”羊羊 J.Gurdon 1964J.Gurdon 1964 爪蟾蝌蚪的爪蟾蝌蚪的 肠上皮细胞肠上皮细胞 核移植核移植 去核卵细胞去核卵细胞 未受精卵未受精卵 UV 肠上皮细胞核肠上皮细胞核 1-2%发育至蝌蚪或蛙发育至蝌蚪或蛙 无结果无结果 畸胎畸胎 悬浮培养的胡萝卜单细胞培养成了可育植株悬浮培养的胡萝卜单细胞培养成了可育植株（Steward,1970年）年）Dolly的标本和伊恩博士 Dolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊Dolly由英国爱丁堡大学的伊
14、恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺结核而被安乐死，它的标本于2003年4月9日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。多莉的出生与三只母羊有关，而多莉与提供细胞核的母羊最相似多莉的出生与三只母羊有关，而多莉与提供细胞核的母羊最相似。遗遗传传信信息息来来自自哪哪里？里？这些实验说明这些实验说明：-即使是终末分化细胞，其细胞核即使是终末分化细胞，其细胞核同样也包含全部的遗传信息，即具有发同样也包含全部的遗传信息，即具有发育为完整个体的育为完整个体的“全能性全能性”。细胞的全能性细胞的全能性:指已分化的细胞仍具有发育成完整个体的能力指已分化的细胞仍具有发育成完整个体的能力.当精子及卵子结合，来自父
15、代及母代的基因即发生组合，形成发育为一个完整个体所需的基因组。分化进程中，细胞有选择地启动某选择地启动某些基因些基因并合成其它类型的细胞所不具备的蛋白质，以构成该种特定细胞的结构，产物及功能的基础。如肌肉细胞发育的原肠胚形成阶如肌肉细胞发育的原肠胚形成阶段，整个胚胎细胞都能合成肌球蛋白，段，整个胚胎细胞都能合成肌球蛋白，但原肠期以后，合成肌球蛋白的细胞但原肠期以后，合成肌球蛋白的细胞仅局限于心区仅局限于心区 ，而其他部位的细胞，而其他部位的细胞则被抑制。则被抑制。分化中为何出现动物细胞表型的差分化中为何出现动物细胞表型的差异异?这是细胞各自表达特异性基因的结果。一些胚胎细胞按其遗传潜能来说都是
16、“全能”的，但其携带的遗传信息在发育过程中并不都能表达，而是按严格的时空顺序有选择地表达其中一部分。基因表达的阶段特异性（时）及组织特异基因表达的阶段特异性（时）及组织特异性（空）性（空）指特定基因的表达按照严格的时间顺序发生，同时，同一基因产物在不同的组织器官表达数量不同，不同的产物蛋白又分布于不同的细胞或组织器官。在胚胎发育过程中在胚胎发育过程中，细胞基因组严格按时空细胞基因组严格按时空顺序相继活化这一现象称为基因的顺序相继活化这一现象称为基因的差异表达差异表达（differentialdifferential expressionexpression）或或 顺 序 表 达顺 序 表 达（sequentialsequential expressionexpression）。从一个受精卵开始从一个受精卵开始，在个体发育的过程中在个体发育的过程中逐步分化产生各种细胞类型和组织逐步分化产生各种细胞类型和组织，这种分化就这种分化就是不同特异性基因相继表达的结果是不同特异性基因相继表达的结果。二、特异蛋白的选择性基因表达主要在转录水平二、特异蛋白的选择性基因表达主要在转录水平 进行进行 DN
