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
受精卵 卵裂
外胚层 软骨 肌肉 形成血的组织 淋巴组织
中胚层
胚胎干细胞
胚胎干细胞来源于内细胞群，内细胞群是早期胚胎 （5-6天）——囊胚的一部分。将内细胞群的细胞取下培养 即为胚胎干细胞。
胚胎干细胞的全能性
受精卵
2细胞期
正常小鼠
将两只８细 胞期的鼠胚 合并，也能 发育成一只 正常的小鼠。 表明哺乳类 动物早期胚 胎细胞发育 到８细胞期 仍是全能的。
图示
• 细胞分化能力的强弱称为分化潜能。 全能性(Totipotency)：已分化细胞具有产生完整有机体
的潜能或特性。 多潜能性(pluripotency)：具有发育成多种组织器官，但
却失去了发育成完整个体的潜能性。 • 干细胞(Stem cell, SC)：具有自我更新和分化潜能的细胞 。
干细胞分类：
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)； 3. 稳定性：动物细胞发生分化之后，其遗传表型保持
稳定，通常是不可逆的； 4. 条件可逆性：又称为去分化(在特定条件下回到未分
化状态)；
plant cell --totipotency
二、细胞分化的特点
三级诱导：晶状体再诱导其表面的外胚层形成角 膜，为三级诱导。
细胞分化
CELL DIFFERENTIATION
一、基本概念 二、 细胞分化特点 三、分化与增殖 四、分化潜能 五、细胞分化的分子基础 六、影响分化的因素
细胞分化
Cell differentiation
卵 精子
受精卵
分化
发育
新个体
人类受精卵分裂和分化
植物细胞分化
一、基本概念
细胞分化(cell differentiation) ：在个体发育 中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在 形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生各不 相同的细胞类群的过程。
骨髓造血干细胞( HSC ) 外周血干细胞 ( PBSC ) 肝脏干细胞 脐带血干细胞 神经干细胞 小肠上皮细胞 肌肉干细胞 皮肤干细胞 胰腺中β-小岛
成体干细胞的优点
• 一是可以在体外根据需要大量培养扩增，且 不存在伦理问题。
• 二是在特定环境下可分化为特定类型细胞， 直接用于组织修复。
• 三是源于自身，避免免疫排斥反应。
• 胚胎诱导是胚胎形成中有序分化的重要因素。 • 能对其它细胞起诱导作用的细胞称诱导者（
inductor），接受诱导的组织或细胞称为反应者。
胚胎诱导分为三级：
初级诱导：如脊索中胚层诱导其表面的外胚层发 育神经板；
次级诱导：如神经板卷成神经管后，前端膨大成 原脑，其两侧突出的视杯再诱导其上 方的外胚层形成晶状体，为次级诱导
组蛋白修饰
细胞中所有的染色体都位于细胞核中。 每条染色体是由一个DNA分子和许多蛋白质构成。
核小体
染色体
组蛋白尾的共价修饰是调控染色质凝聚的一种方式
组蛋白修饰的效应
细胞异常分化可引起细胞癌变
• 细胞癌变是细胞去分化的结果 低分化和高增殖
• 肿瘤细胞的分化特征 癌细胞是由正常细胞转化而来，表现为去分化或
表皮细胞 具有保护功能（呈扁平形）
红细胞 具有携带氧和二氧化碳的功能（呈圆盘状）
细胞分化的表现是产生不同结构和功能的细胞， 其实质是差异蛋白质的合成。
神经细胞传导神经信息 神经递质； 肌细胞 收缩作用 肌动蛋白和肌球蛋白； 成熟的红细胞 运输氧和二氧化碳 血红蛋白； 表皮细胞保护作用 角蛋白；
四、细胞的分化潜能
胚泡形成
胚泡于受精后第4-5天形成，并进入子宫。
胚泡
胚端滋养层
内细胞群
胚泡腔 滋养层
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)； 3. 稳定性：动物细胞发生分化之后，其遗传表型保持
稳定，通常是不可逆的；
遗传稳定性----果蝇成虫盘细胞的移植实验
以蛙为例：
3
1
4
2
5
1 神经细胞质 2 脊索细胞质 3 外胚层细胞质 4 中胚层细胞质 5 内胚层细胞质
蛙受精卵的细胞质是不均质的， 这种不均质性, 对胚胎的早期 发育具有很大影响，在一定程 度上决定细胞的早期分化
蛙卵
神经细胞 脊髓细胞 表皮 肌肉骨 腺细胞及消化道上皮
2、诱导机制
胚胎诱导 （embryonic induction） 在胚胎发育过程中，一部分细胞对邻 近的另一部分细胞产生影响，并决定 其分化方向的作用称为胚胎诱导。
不同细胞：相同DNA 不同RNA 不同PRO
分子杂交实验证明： 细胞分化是基因选择性表达的结果
分子杂交：DNA-DNA或DNA-RNA单链之间的 互补序列在一定条件下通过碱基互补配对 原则形成双链的现象。
DNA-DNA杂交实验：
不同物种的DNA序列不能杂交，证明DNA有物种特异性；
同一物种不同组织的DNA间能杂交，表明DNA无组织特异性。
泌尿生殖系统
骨 致密结缔组织
疏松结缔组织
内胚层
呼吸系统
肝、胰
甲状腺
甲状旁腺
腺
始 终 保 持 其 分 化 全 能 性 的 细 胞 核
克隆羊“多莉”实验
高 度 分 化 的 细 胞 如 乳 腺 细 胞 的 核 仍 有 全 能 性
五、细胞分化的分子基础
基因差异表达：细胞分化并不是基因组DNA全部表达，而是奢 侈基因按一定程序，有选择地相继活化表达。
无序分化，分化程度与恶性程度成反比。 • 肿瘤细胞可被诱导向正常细胞分化——肿瘤治疗思路
六、影响细胞分化的主要因素
• autonomous mechanism：胚胎发育的早期细胞分裂 由受精卵中的细胞质控制，不涉及细胞通信。
• inductive mechanism：随着胚胎发育的进行细胞之间 主要通过信号系统协调分裂、分化和细胞的行为。
成体干细胞的分化
成体干细胞：成体的许多组织中都保留一些 具有增殖和分化能力的细胞，这类细胞称为 成体干细胞。
• 成体干细胞的分化特点： 1. 不对称分裂； 2. 分化方向已基本确定；
成体干细胞
成体干细胞属于专能细胞，是在成体组织或器官已分化的 细胞中发现的未分化细胞，能自我更新，能分化为该组织或器 官中的各种主要的特化细胞。
• 果蝇母源基因在滋养细胞中转录后，输入卵细胞 ，沿微管转运到特定部位。基因产物沿卵的前后 和背腹轴形成浓度梯度，决定胚胎形态，称为成 形素（morphogen）。
• 卵裂后的细胞质特性决定了子细胞的分化命运。
卵细胞质的作用
卵细胞质的作用：细胞决定，即决定细胞分化的方向。 作用时间：胚胎发育早期（卵裂期）
1.时空性：也称为差别基因表达； 2.定向性：也称为决定(determination)；
3. 稳定性：动物细胞发生分化之后，其遗传表型保持 稳定，通常是不可逆的；
4. 条件可逆性：又称为去分化(在特定条件下回到未分 化状态)；
5.普遍性；
三、细胞分化与细胞增殖
细胞分裂
细胞分裂
受精卵――――― 胎儿――――――成人
DNA-RNA杂交实验：
同一物种不同组织的DNA-RNA间的杂交不同，证明RNA有组织 特异性。
从分子水平看：
基因选择表达 特异mRNA转录 特异蛋白质合成细胞分化
基因差异表达的调控主要发生在 转录水平
（一）顺式调控元件 启动子、增强子、沉默子等
（二）反式作用因子 （三）活性染色质结构的特异调控区 （四）ＤＮＡ甲基化 （五）同源盒基因
ESC的用途主要有：
①动物克隆：由体细胞作为核供体进行克隆动物生产，虽 然易于取材，但克隆动物个体中表现出严重的生理或免疫 缺陷，而且多为致命性的； ②动物转基因：以ESC细胞作为载体，可大大加快转基因 动物生产的速度，提高成功率； ③组织工程(tissue engineering)，人工诱导ESC定向分化， 培育出特定的组织和器官，用于医学治疗的目的； ④发育生物学研究的理想体外模型