细胞生物学-细胞分化
细胞生物学中的细胞分化与分裂
细胞生物学中的细胞分化与分裂细胞是生物体的基本单位，细胞生物学研究着生命的奥秘。
在细胞的发展过程中，细胞会经历细胞分化和细胞分裂两个重要过程。
细胞分化是指细胞从未分化状态向特定类型细胞的转变，而细胞分裂则是指细胞在生长和繁殖过程中自我复制和分离。
本文将从这两个方面来详细探讨细胞生物学中细胞分化和细胞分裂的相关知识。
一、细胞分化细胞分化是指同一种细胞在功能和形态上的差异化，是多细胞生物体内不同细胞类型形成的基础。
细胞分化的过程中，未分化的细胞会通过基因表达的调控逐渐转变为特定的细胞类型，从而承担特定的功能。
细胞分化的发生需要一系列复杂的内外因素的参与，包括基因调控、信号通路和细胞与邻近细胞的相互作用等。
细胞分化的一个经典案例是干细胞的分化。
干细胞具有自我复制和未定向分化为各种细胞类型的能力。
在特定的环境和刺激下，干细胞可以通过分化成为神经细胞、心肌细胞、肌肉细胞等。
这一过程中，细胞内的转录因子和外界信号分子起着重要作用。
通过调控这些因子的表达，体细胞可以不仅仅是复制自己的DNA，还可以向外分化为大部分体细胞。
这一发现让人们对于细胞的分化和再生过程有了更深入的了解。
二、细胞分裂细胞分裂是细胞在生长和繁殖过程中自我复制和分离的过程。
细胞分裂分为有丝分裂和无丝分裂两种类型。
有丝分裂是指经过一系列复杂的步骤，细胞的染色体在分裂过程中分离，最终形成两个基本一致的子细胞。
无丝分裂则是指细菌等原核细胞通过简单的DNA复制和分离形成两个相同的细胞。
有丝分裂是细胞分裂中最为常见和复杂的过程。
它包括有丝分裂前期、有丝分裂中期、有丝分裂后期和有丝分裂后期四个阶段。
在有丝分裂前期，细胞的染色体开始缩短、变厚，形成染色体条状结构，并且核膜逐渐解体。
在有丝分裂中期，染色体排列成等距离的中央区域，此时纺锤体完全形成。
在有丝分裂后期，细胞的染色体开始分离成两个群体，纺锤体逐渐消失。
最后，有丝分裂后期，细胞完成分裂，形成两个基本一致的子细胞。
细胞生物学8--细胞分化与胚胎诱导
Developmental Biology
Mosaic Development(续)
支持Mosaic Development的实验证据：Wilhelm Roux （1887）的实验（蛙胚p146）：
Developmental Biology
Developmental Biology
信 号 传 导 途 径
Wnt
Developmental Biology
信 号 传 导 途 径
Notch/Delta
Developmental Biology
信 号 传 导 途 径
Developmental Biology
CD34 cells
血细胞分化涉及一系列 生长因子和转录因子。
有关的生长因子有的由 血细胞或骨髓基质细胞分 泌，有的由其它组织分泌 (如EPO主要由肾脏分泌)。
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二、胚胎诱导
1924年，Hans Spemann（1868-1941）和助手Hilde mangold的著名的胚孔背唇移植实验表明：胚胎的一种组
RNA加工前三个胚层中的 RNA量无差异。
加工后的RNA主要存在于 外胚层中。
核酸run-on(在膜上固定intron序列与放射 性RNA探针杂交)实验表明：Spec1基因在 原肠胚的内、中、外胚层细胞核中都表达， 但成熟的Spec1 mRNA只存在于外胚层中。
Developmental Biology
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细胞分化和胚胎诱导
Developmental Biology
一、细胞分化
（一）概念
细胞分化（cell differentiation）是指同群结构与功能相同的细胞发生一系列 的内外变化，成为结构与功能不同的细胞的过程。
细胞分化名词解释细胞生物学
细胞分化名词解释细胞生物学
在细胞生物学中，细胞分化是一个重要的概念，它指的是一个细胞在形态、结构和功能上转化为另一种细胞的过程。
细胞分化是胚胎发育和组织形成的基础，也是生物体发育和成熟的关键步骤。
具体来说，细胞分化是指一个原始的、未分化的细胞在特定的环境刺激下，通过基因调控和化学信号传递等机制，逐渐转化为一种具有特定形态、结构和功能的成熟细胞。
这个过程是不可逆的，一旦细胞分化为某种特定类型，它就不再能够回到原来的状态。
细胞分化的机制非常复杂，其中涉及到多种因素，包括基因调控、细胞间信号传递、细胞周期控制等。
在分化过程中，细胞会逐渐失去其全能性，即其发育成多种不同类型的细胞的能力会逐渐减弱。
相反，细胞会逐渐获得一种或几种特定的功能，这些功能是与其分化后的细胞类型相对应的。
在人体中，细胞分化是组织修复和疾病发生的重要基础。
分化后的细胞具有相对稳定的形态和功能，因此当它们发生异常或损伤时，可能会导致疾病的出现。
例如，在癌症等疾病中，细胞分化可能会受到干扰或破坏，导致异常细胞的出现和增殖。
细胞生物学13细胞分化
讨论二
• 机体如何意识到失去的部分，又是如何知道丢失的 部位及丢失的多少？
• 替代物来自何处？是剩余的原胚细胞、干细胞还是 已分化的细胞去分化的结果？
• 原结构的重建是补充的新组织，还是由伤口处一些 细胞增殖代替了缺失的结构？
二、细胞分化的特点
1.时空性：也称为差别基因表达； 2.定向性：也称为决定(determination)；
• 分化的主要标志：细胞内合成新的特异性蛋白质 • 细胞分化的关键：细胞选择性表达合成特异性蛋白质，导致细胞形
态、结构和功能各异
管家基因(house Keeping gene)是指所有 细胞中均要表达的一类基因，其产物是对 维持细胞基本生命活动所必需的 。如膜蛋 白、核糖体蛋白、线粒体蛋白等。
奢侈基因（luxury gene）：或称组织特 异性基因(tissue-specific genes)，编码决定 细胞性状的特异基因，对细胞自身生存无 直接影响，是细胞向特殊类型分化的物质 基础。如血红蛋白、肌动蛋白。
调节基因(regulatory genes)：产物用于 调节组织特异性基因的表达，起激活或者 起阻遏作用。
转分化（transdifferentiation）：一种类 型分化的细胞转变成另一种类型的分化细胞 现象称转分化。
——转分化经历去分化（dedifferentiation）和 再分化（redifferentiation）的过程
单能干细胞(monopotential /unipotent stem cell)或称定 向干细胞(directional stem cell)，只能分化 为一种类型的细胞。
多能细胞
脑 脊髓
单能细胞
全能细胞
神经管
腺 毛、齿、爪等 髓样组织
细胞生物学细胞分化
有些癌基因编码活性过度的受体或活性过强的细胞内信号转导蛋白，它们可在没有外源信号的情况下促使细胞过度增殖而癌变.
原癌基因突变: Gain-of-function mutations
Bcl-2 oncogene: Prevent apoptosis
Ras oncogene: Retain bind GTP
抑癌基因的突变是隐性的。
Rb bind with E2F transcription factor
p53基因
人体抑癌基因。该基因编码一种分子量为53kDa的蛋白质，命名为P53。
分化启动机制：
如表达大量的肌动蛋白和肌球蛋白构成收缩器，并融合成肌细胞样的多核细胞等。
皮肤结缔组织的成纤维细胞表现出骨骼肌细胞的特征:
借助于组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与其它调控蛋白形成适当的调控蛋白组合，不仅可以将一种类型的细胞转化成另一种类型的细胞，而且遵循类似的机制，甚至可以诱发整个器官的形成。
可以定义为一类具有分裂和分化能力的细胞。
干细胞
（二）影响细胞分化的因素
1．胞外信号分子对细胞分化的影响
胚胎诱导:早期胚胎发育过程中，一部分细胞会影响周围细胞使其向一定方向分化，这种作用称近端组织的相互作用，也称为胚胎诱导。 近端组织的相互作用是通过细胞旁分泌产生的信号分子旁泌素（又称细胞生长分化因子）来实现的。
Dolly: A lamb with no father
高度分化的动植物体细胞，在遗传背景（基因组DNA)和功能上均是全能的。
多莉羊的克隆
细胞核始终保持其分化的全能
动物细胞的全能性
胚胎干细胞（embryonic stem cell,ES细胞）
( 胚胎) 滋养层
第十四章 细胞分化
• 2.细胞分化发生与G1期，G1期长短决定了 分裂速度和分化过程。所以分裂速度和分 化过程负相关。
医学细胞生物学
第二节 细胞分化的分子基础
• 一、基因组的活动模式 • （一）基因的选择性表达是细胞分化的普遍规律 • 1.基因组本身并未随细胞分化发生不可逆性改变，细
医学细胞生物学
第一节 细胞分化的基本概念
• （三）终末分化细胞的细胞核具有全能性
全能干 细胞
多能干 细胞
单能干 细胞
终末分 化细胞
医学细胞生物学 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。
脊索，骨骼肌， 肾小管，红细胞
胰腺，甲状腺， 肺泡上皮细胞
生殖细胞
精子，卵子
医学细胞生物学
第一节 细胞分化的基本概念
• （二）细胞分化的潜能随个体发育进程逐 渐“缩窄”
全能干 细胞
多能干 细胞
单能干 细胞
终末分 化细胞
• 细胞的多能性：一个细胞具有发育成多种 组织、器官的能力。如:骨髓造血干细胞
• 细胞的单能性：一个细胞只能发育某种组 织、器官的能力。如:生发层细胞
医学细胞生物学
第一节 细胞分化的基本概念
• （三）特定条件下已分化的细胞可转分化 为另一种类型的细胞。
• 高度分化的动物细胞从一种分化状态转变 为另一种分化状态。
• 肾上腺嗜铬细胞——交感神经元 • 水母横纹肌——平滑肌——神经元 • 成纤维细胞/脂肪细胞——肌细胞 • 神经元——血细胞/脂肪细胞
细胞生物学(第五版)-第14章 细胞分化与干细胞
三、成体干细胞
生物成体中，多数细胞都是具有一定寿命，生物体需要产生足够的各种不同 类型的细胞，以维持机体的代谢平衡。这一工作主要由存在于各种组织和器 官中的成体干细胞完成，其基本功能是分化产生某些类型的终末分化细胞。
成体干细胞的特征
祖细胞可以快速分裂，形成各 种分化细胞。与干细胞不同， 祖细胞只有有限的分裂次数。
第二节 干细胞
一、干细胞的概念和分类
干细胞是机体中能进行自我更新（产生与自身相同的子代细胞）和多向分化 潜能（分化形成不同细胞类型）的一类细胞。因此，它们在细胞分化和个体 发育中起着关键和决定性的作用。
动物克隆技术的基本理论问题是体细胞 的重编程问题，即已分化的染色质如何 通过重新“编程”回到初始未分化的细胞 状态，然后才有可能沿正常的发育程序 分化成各种类型的细胞
近年来，通过对胚胎干细胞， 包括人胚胎干细胞在内的细 胞定向分化的研究显示：细 胞分化与3个胚层发生这一复 杂的过程，不仅依赖于各种 信号分子的组合和浓度，也 与细胞相互间的位置密切相 关，细胞所处的位置即细胞 的微环境对细胞状态的维持 及分化的命运起到关键作用。
细胞分化与3个胚层发生的分子机制的示意：基因丢失，基因扩增，基因重排，DNA甲 基化 基因重排：基因与基因间的位置或顺序发生重新排列组合。如B 淋巴细胞分化为浆细胞的过程中，它的DNA经过断裂重排的变化, 这有利于其利用有限的免疫球蛋白基因表达大量的抗体。 总之伴随染色质变化及基因重排，细胞分化也出现变化。
（三）细胞记忆与决定
信号分子的有效作用时间是短暂的，然而细胞可以将这种短暂的作用储存起 来并形成长时间的记忆，逐渐向特定方向分化。 果蝇幼虫的成虫盘（imaginal disc)是一些未分化的细胞群,在幼虫变态过程中， 不同的成虫盘发育为成虫不同的器官。
细胞生物学-细胞分化知识点
细胞生物学-细胞分化知识点●基本概念：结构和功能上发挥稳定性差异的过程●细胞分化的基本特征●分化细胞的表型特化：●稳定，与功能相适应●分化程度与分裂能力成反比●分化程度高对环境因子反应性弱●生理状态下分化稳定性不可逆●个体发育过程中细胞分化的时空性●细胞决定(cell determination)●时间上的分化：不同阶段不同的形态结构和功能●空间上的分化：●人类三个胚层的细胞具有不同的分化方向●血红蛋白不同阶段四聚体亚基组成是不同的●果蝇成虫盘是一些初级分化细胞群●个体发育过程中细胞分化的潜能性●细胞的分化潜能在发育过程中逐渐变窄●全能细胞：受精卵●多能细胞：三层胚●外胚层：神经、表皮。
●中胚层：肌肉、骨。
●内胚层：消化道、肺上皮。
●单能：●细胞生理状态随分化水平而变化●已分化细胞核的全能型●细胞核移植实验●分化细胞的遗传物质●去分化 (dedifferentiation)●在特定条件的诱导下，高度分化的细胞可以失去特有的结构和功能，变为具有未分化细胞的特性。
这种现象叫做去分化。
●转分化 (transdifferentiation)●已分化细胞经过去分化之后再分化成另一种细胞的变化过程。
●细胞重编程●终末分化细胞逆转为原始的多能干细胞，甚至是全能性干细胞状态的过程●细胞分化的调控●细胞分化与基因表达的差异●细胞分化是基因差异表达的结果●非编码RNA：例如lncRNA●管家基因●维持细胞生长存活时刻都在表达的基因●奢侈基因●组织特异性基因●组合调控引起组织特异性的表达●多种蛋白共同调控●差别基因表达的转录水平的调控●顺式作用元件与细胞分化调控●启动子●增强子●沉默子●转录因子与细胞分化的调控●通用转录因子●RNA酶核心启动因子结合●特异转录因子●特异性结合位点决定基因时间空间的特异性表达●DNA甲基化与细胞分化●甲基化水平越高编码蛋白的表达性越低●组蛋白共价修饰与细胞分化●组蛋白乙酰化●组蛋白甲基化●差异基因表达的转录后水平调控●hnRNA加工及选择性剪接●一种mRNA●多种mRNA，内含子与外显子的特异性(特异性选择表达)●翻译水平调控●翻译起始因子aIF-2●非编码RNA在细胞分化中的作用●miRNA：结合蛋白质抑制翻译●小分子干扰RNA：（siRNA）降解mRNA●piRNA：调节减数分裂主要存在于精细胞●影响细胞分化的因素●受精卵胞质的不均一●胞质记忆：胞质成分直接或者间接作用于基因组●决定子：它们支配细胞分化的途径。
医学细胞生物学细胞分化
分化的类型及特点
细胞分化可以分为3种类型：原始分化、血细胞分化和神经元分化。每种类型都具有独特的特点，包括发育阶 段、细胞形态、基因表达和功能。
分化的作用及意义
细胞分化对于多细胞生物的正常发育和功能至关重要。它使细胞能够分工合作，组成复杂的组织和器官系统， 实现生命的多样性和适应性。
分化与干细胞
医学细胞生物学细胞分化
细胞分化是医学细胞生物学中的重要概念，指的是细胞从未分化状态到特定 细胞类型的发展过程。它涉及多个方面，包括类型、特点、作用、机制等。
什么是细胞分化
细胞分化是指细胞从幼稚状态逐渐发展为不同类型、结构和功能的成熟状态的过程。这些成熟细胞具有特定形 态和功能，适应不同组织和器官的需求。
分化与干细胞密切相关，干细胞具有自我更新和多向分化的能力。深入了解 细胞分化过程可以帮助我们理解干细胞的特性和应用。
细胞分化的生理机制
细胞分化涉及多种生理机制，包括基因表达调控、细胞信号通路、表观遗传改变、细胞迁移和形态变化等。这 些机制相互作用，驱动细胞朝着特定方向分化。
核糖体与细胞分化
核糖体是细胞中重要的功能结构，参与蛋白质合成。细胞分化与核糖体的调 控密切相关，核糖体的数量和组成在分化过程中发生变化。
化学信号物质与分化
细胞物质通过不同的 途径影响细胞分化的方向和速度。
细胞生物学10细胞分化的概念
Caspase家族与凋亡
caspases是一组存在于胞质溶胶中的结构上相 关的半胱氨酸蛋白酶，共同点是特异地断开天 冬氨酸残基后的肽键。 caspase能够高度选择性地切割某些蛋白质，这 种切割只发生在少数(通常只有1个)位点上，主 要是在结构域间的位点上 caspase切割的结果或是活化某种蛋白，或是使 某种蛋白失活，但从不完全降解一种蛋白质。
细胞凋亡的过程
①凋亡的起始 ②凋亡小体的形成 ③凋亡小体被吞噬并消化
①凋亡的起始
细胞膜依然完整 细胞间接触消失 细胞表面特化结构消失 核糖体逐渐从内质网上脱离 内质网囊腔膨胀并逐渐与质膜融合 染色质固缩形成新月形帽状结构沿着核膜分布。
②凋亡小体的形成
核染色质断裂为片段，与细胞器一起聚集，为 反折的细胞膜所包围。 细胞表面产生了许多泡状或芽状突起，逐渐分 隔形成单个的凋亡小体。
Fas或TNF受体蛋白通过直接与连接器蛋白FADD 作用而使caspase 2，8及10的酶原聚集其附近的细 胞质表面。 当caspase 2，8及10酶原达到一定浓度时，它们就 进行同性活化，在大小亚基之间进行切割，产生 具有活性的酶。 Caspase 2，8和10活化以后，就通过异性活化， 使下游的 caspase包括caspase 3和7活化，使其成 为凋亡的执行者。
细胞分化的实质
细胞分化的关键在于特异性蛋白质的合成 特异性蛋白质合成关键在于基因选择性表达 细胞分化的实质是组织特异性基因在时间与 空间上的差异表达(differential express)。 组织特异性基因的表达受控于组合调控。
转分化
一种类型的分化细胞转变成另一种类型的分 化细胞的现象称转分化(transdifferentiation) 转分化的过程 ✓ 去分化(dedifferentiation) ✓ 再分化(redifferentiation) 。