细胞分化和凋亡

第一节 细胞分化
细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。 每个人的一生中都在进行着细胞分化。 细胞分裂的不对称性和细胞间的相互作用是细胞分化
的两个基本机制。
一 细胞分化的基本概念
Cell differentiation：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不同的细胞类群的过程。 简言之：细胞后代在形态结构和功能上发生差异 的过程。
HOX mutant Antenna—leg
Bithorax mutant
四 细胞分化的潜能
（一）全能性、多能性和单能性
全能性：一个细胞可分化为机体的所有细胞，如受精卵、植物细 胞。
干细胞 多能干细胞 单能干细胞（祖细胞）
成熟动物细胞不具备全能性。
60年代的爪蟾和80年代小鼠的核移殖，90年代末多利羊的诞生都证 明了分化细胞具有完整的DNA。
（一）细胞分裂的不对称性
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。
动物卵细胞中贮存有大量mRNA，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。
2、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→同源异 形基因（homeotic gene，Hox）
在人的一生中，皮肤、小肠和血液等组织需要不 断地更新，这个任务是由干细胞完成的。干细胞 是一类具有分裂和分化能力的细胞，多能干细胞 可以分化出多种类型的细胞，但它不可能分化出 足以构成完整个体的所有细胞，所以多能干细胞 的分化潜能称为多能性（pluripotent）。单能 干细胞来源于多能干细胞，具有向特定细胞系分 化的能力，也称为祖细胞（progenitor）。
诱导者(inductor) ：对其它细胞起诱导作用的细胞：
脊索可诱导其顶部的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。
2、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。
三 分化研究的模式生物—果蝇
我们可以比较清晰的看到受精卵发育为新个体， 是受一系列基因调控的，这些基因在发育过程中， 按照时间、空间顺序启动和关闭，互相协调，对 胚胎细胞的生长和分化进行调节。细胞分化的实 质是在外界信号的作用下，胞内核质相互作用的 结果。
Gene and Development
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。
（二）细胞间的相互作用
1、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。
分化细胞基因组中所表达的基因可分为两类：
持家基因(housekeeping gene)：维持细胞最低 限度的功能不可缺少的基因，在各类细胞中任何 时间持续表达，其表达不受时空限制。
奢侈基因(luxury gene)：与各分化细胞的特殊性 状有直接关系的基因，丧失该基因对细胞生存无 影响，只在特定的分化细胞中表达，受时空的限 制。
3、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
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
如昆虫的保幼激素和脱皮激素。
（三）细胞核与细胞分化
1、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（106~108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。
（二）胚干细胞
根据个体发育过程中出现的先后次序不同，干细 胞又可分为胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细 胞（embryonic stem cells，ESC）是指从胚胎 内细胞团或原始生殖细胞筛选分离出的具有多能 性或全能性的细胞，此外也可以通过体细胞核移 植技术获得。
二、细胞分化的机理
细胞分化的机理及其复杂，概括而言细胞的分化 命运取决于两个方面：一是细胞的内部特性，二 是细胞的外部环境，前者与细胞的不对称分裂 （asymmetric division）以及随机状态有关， 尤其是不对称分裂使细胞内部得到不同的基因调 控成分，表现出一种不同于其它细胞的核质关系 和应答信号的能力；后者表现为细胞应答不同的 环境信号，启动特殊的基因表达，产生不同的细 胞的行为，如分裂、生长、迁移、粘附、凋亡等， 这些行为在形态发生中具有极其重要的作用。
细胞分化不仅发生在胚胎发育中，而是在一生都
进行着，以补充衰老和死亡的细胞 。
通过细胞分化，使具有相同遗传组成的细胞，选 择性地表达不同的基因，产生不同的结构蛋白、 执行不同的功能，共同参与构成一个复杂的细胞 社会——个体，所以细胞分化的实质是基因选择 性表达。
选择性表达，又称差异性表达：个体发育过程中， 有的基因按一定时空顺序转录生成不同mRNA， 翻译出不同蛋白质，既决定细胞特殊性状的基因 按一定顺序相继活化的现象。