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第十二章,細胞分化,Human: 1014 cells, 200 cell types,由一種相同的細胞類型經(jīng)細胞分裂后逐漸在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上形成穩(wěn)定性差異，產(chǎn)生不同的細胞類群的過程稱 為細胞分化。,細胞分化 Cell differentiation,細胞分化在胚胎時期達到最大限度,（一）細胞分化是基因選擇性表達的結(jié)果,分子雜交技術(shù)檢測基因及其表達,如雞的輸卵管細胞合成卵清蛋白，成紅細胞合成-珠蛋白，胰島細胞合成胰島素，這些細胞都是在個體發(fā)育中逐漸產(chǎn)生的。用上述三種蛋白的基因分別作探針，對三種細胞中提取的總DNA的限制性酶切片段進行Southern雜交實驗。,本質(zhì)：細胞的基因組相同，但表達譜不同；使細胞 能行使不同的功能（分工）；,不同的細胞類型（cell types)中，DNA相同，mRNA種類不同，蛋白質(zhì)種類不同。 結(jié)論：相同的基因組在不同細胞中的選擇性表達；細胞分化是基因選擇性表達的結(jié)果。,（二）組織特異性基因與管家基因,細胞分化過程是由一系列基因產(chǎn)物（regulatory proteins）調(diào)控的。 i.e., 每個基因的表達都必須： 在正確的細胞中； 在正確的時間； 對正確的信號產(chǎn)生正確的反應(yīng)； 產(chǎn)生正確的表達水平。 問題：細胞是如何協(xié)調(diào)（coordinate）這一過程的？,（三）組織特異性基因調(diào)控的基本模式,組合調(diào)控概念： 有限的少量調(diào)控蛋白啟動為數(shù)眾多的特異細胞類型的分化,組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達,分化啟動機制： 在啟動細胞分化的各類調(diào)節(jié)蛋白組合中，其中往往是只有一兩種調(diào)控蛋白是起決定性的因子。這樣，單一調(diào)控蛋白就有可能啟動整個的細胞分化過程。,體外培養(yǎng)的來自皮膚結(jié)締組織的成纖維細胞,轉(zhuǎn)入關(guān)鍵性調(diào)控蛋白MyoD,皮膚結(jié)締組織的成纖維細胞表現(xiàn)出骨骼肌細胞的特征: 如表達大量的肌動蛋白和肌球蛋白構(gòu)成收縮器，并融合成肌細胞樣的多核細胞等。,借助于組合調(diào)控，一旦某種關(guān)鍵性基因調(diào)控蛋白與其它調(diào)控蛋白形成適當?shù)恼{(diào)控蛋白組合，不僅可以將一種類型的細胞轉(zhuǎn)化成另一種類型的細胞，而且遵循類似的機制，甚至可以誘發(fā)整個器官的形成。,例子：果蠅眼形成的關(guān)鍵調(diào)控蛋白ey,Ey蛋白除了能啟動細胞某些特異基因的表達，誘導某類分化外，其啟動的某些基因本身可能又是另一些基因調(diào)節(jié)蛋白，它們進一步啟動其他特異基因表達，誘導分化更多的細胞類型，形成由多種不同類型細胞組成的有序三維群體即導致器官形成。,第三節(jié) 影響細胞分化的因素,是指細胞經(jīng)分裂和分化后仍具有產(chǎn)生完整有機體的潛能或特性。,細胞的全能性(totipotency)：,e.g.，受精卵、早期胚胎細胞；,植物體細胞胚胎發(fā)生（plant somatic embryogenesis）,（基礎(chǔ)、內(nèi)因）,動物細胞的全能性,如蛙skin細胞核移植后發(fā)育成蝌蚪 Dolly羊的誕生說明高度分化的哺乳動物體細胞核也具有發(fā)育全能性,Dolly: A lamb with no father,高度分化的動植物體細胞，在遺傳背景（基因組DNA)和功能上均是全能的。,多莉羊的克隆,細胞核始終保持其分化的全能,胚胎干細胞（embryonic stem cell,ES細胞）,指從原始生殖細胞或著床前的內(nèi)細胞團獲得的一種具有多潛能性、可發(fā)育成為各種細胞、同時可保持不分化狀態(tài)而持續(xù)生長的克隆細胞系。,( 胚胎) 滋養(yǎng)層,a.取自終止妊娠的胎兒的性器官組織。,人胚胎干細胞的來源,b.取自體外受精胚胎囊胚期內(nèi)層細胞。,c.通過體細胞核轉(zhuǎn)移技術(shù)獲得,胚泡,用于制造轉(zhuǎn)基因動物,受精后第 3.5 天的囊胚,骨髓多能造血干細胞，它可分化出十二種血細胞，但不能分化出造血系統(tǒng)以外的其它細胞。,多能干細胞（stem cell）,動物細胞隨著胚胎的發(fā)育，細胞喪失了發(fā)育成個體的能力，僅具有分化成有限細胞類型及構(gòu)建組織的潛能，這種潛能稱為多潛能性。具有多潛能性的細胞稱為多能干細胞。,單能干細胞 Monopotential stem cell,終末分化:由定向干細胞最終形成特化細胞類型的過程。,只能向一種類型或密切相關(guān)的兩種類型的細胞分化。如上皮組織基底層的干細胞。,從全能性到多能性，再到單能性，最后失去分化潛能成為成熟定型的細胞。,可以定義為一類具有分裂和分化能力的細胞。,干細胞,1胞外信號分子對細胞分化的影響,（二）影響細胞分化的因素,胚胎誘導:早期胚胎發(fā)育過程中，一部分細胞會影響周圍細胞使其向一定方向分化，這種作用稱近端組織的相互作用，也稱為胚胎誘導。,近端組織的相互作用是通過細胞旁分泌產(chǎn)生的信號分子旁泌素（又稱細胞生長分化因子）來實現(xiàn)的。,眼的發(fā)生中本身的逐級誘導過程。正常情況下，早期的視泡誘導與之接觸的外胚層上皮細胞發(fā)育成晶狀體，隨后在視泡和晶狀體的共同誘導下外面的表皮細胞形成角膜。如果把早期的視泡移植在頭部的其它部位，也可誘導與之接觸的外胚層發(fā)育成晶狀體。,例證,這種作用出現(xiàn)在發(fā)育的晚期,激素引起的反應(yīng)是按預(yù)先決定的分化程序進行的,其作用主要是引起靶細胞進行分化。 例如無尾兩棲類的幼體發(fā)育要經(jīng)過一變態(tài)階段,在此階段中發(fā)生的變化有蝌蚪的尾鰭和尾部被吸收,前后肢形成等。這些變化與甲狀腺分泌的甲狀腺素有關(guān)系。,遠距離細胞間相互作用對細胞分化的影響主要是通過激素來調(diào)節(jié)的,例如果蠅成蟲盤的移植實驗。 果蠅成蟲盤是幼蟲體內(nèi)的未分化的細胞團，決定成蟲的腿、翅、觸角和軀體的其他結(jié)構(gòu)。 將幼蟲的成蟲盤一部分進行移植實驗 ： 移植到另一幼蟲體內(nèi)按決定方向發(fā)育分化。 成蟲盤移植到成蟲體內(nèi)-果蠅腹腔不斷增殖保持未分化狀態(tài)，時間長達9年，繁殖1800代后，再取出移植到幼蟲體內(nèi)，當幼蟲變態(tài)時，被移植的成蟲盤細胞仍發(fā)育成相應(yīng)結(jié)構(gòu),2. 細胞決定的穩(wěn)定性和遺傳性,定義：是指一個細胞接受了某種指令，在發(fā)育中這一細胞及其子代細胞將區(qū)別于其它細胞而分化成某種特定的細胞類型，或者說在形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能等分化特征尚未顯現(xiàn)之前就已確定了細胞的分化命運。,正反饋途徑（positive feedback loop）即細胞接受信號刺激后， 活化轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，該因子不僅誘導自身基因的表達， 還誘導其它組織特異性基因的表達,本質(zhì)：特定的基因表達譜式在細胞增殖過程中的傳遞。,b.染色體結(jié)構(gòu)變化（DNA 與蛋白相互作用）的信息傳到子代細胞 染色質(zhì)構(gòu)型（e.g., 常染色質(zhì)和異染色質(zhì)）,3.受精卵細胞質(zhì)的不均一性對細胞分化的影響,動物卵細胞中貯存有大量mRNA，呈非均勻分布； 細胞分裂時胞質(zhì)不均等分配，子細胞所得胞質(zhì)成分不完全相同。,細胞所處的位置不同對細胞分化的命運也有明顯的影響。實驗證明，改變細胞所處的位置可導致細胞分化方向的改變，這種現(xiàn)象稱位置效應(yīng)?！拔恢眯畔ⅰ笔钱a(chǎn)生效應(yīng)主要原因。,4. 細胞位置效應(yīng),所謂位置信息，即各細胞群或組織，接受所處的空間位置的發(fā)育指令。,其中典型的例子是許多爬行動物，如蜥蜴類的A.agama，E.macularius，它們在較低溫度條件下（24度）全部發(fā)育為雌性，而溫度提高（32度）則全部發(fā)育為雄性。龜類的T.graetta，C.caretta又出現(xiàn)相反的情況，即在較低溫度條件下全部發(fā)育為雄性，而溫度提高則全部發(fā)育為雌性。 另外，有一種蝸牛類的軟體動物Crepidula，它們的性別決定取決于個體間的相互位置關(guān)系，在它們形成的上下相互疊壓的群體中，位于下方的個體發(fā)育為雌性，而位于上方的個體發(fā)育為雄性。人們對于環(huán)境影響性別的機制還不清楚.,5環(huán)境對性別決定的影響,癌細胞（cancer cell）,腫瘤（tumor）在致瘤因素作用下，細胞在基因水平上失去對其生長的正常調(diào)控，導致異常增生。 良性腫瘤：生長緩慢，與周圍組織邊界明顯。 惡性腫瘤：癌癥(cancer)，生長快、具有遷移性。 腫瘤組織由實質(zhì)和間質(zhì)兩部分構(gòu)成，實質(zhì)是腫瘤細胞，間質(zhì)由結(jié)締組織和血管組成。,第一節(jié) 癌細胞的主要特征,HeLa cancer cells,1.細胞生長與分裂失去控制，具有無限增殖能力。,2.具有浸潤性和擴散性，癌細胞失去與細胞間和細胞外基質(zhì)間的連接，易于從腫瘤上脫落。許多癌細胞具有變形運動能力，并且能產(chǎn)生酶類，使血管基底層和結(jié)締組織穿孔，使它向其它組織遷移。,3.細胞間相互作用改變-接觸抑制喪失和錨定依賴性喪失,5.染色體非整倍性,4. mRNA的表達譜及蛋白活性改變 在分化程度上癌細胞低于良性腫瘤細胞，且失去了許多原組織細胞的結(jié)構(gòu)和功能。常表達一些胚胎細胞表達的蛋白。,Pancreas cancer,癌癥產(chǎn)生是基因突變積累和自然選擇的結(jié)果 癌癥主要是體細胞突變產(chǎn)生的遺傳病，涉及到兩大類與細胞增殖相關(guān)的基因的突變。,原癌基因（proto-oncogene）： 是細胞的正?；?，它們編碼的蛋白質(zhì)是維持正常細胞生命活動所必須的，通常參與細胞的生長與增殖的調(diào)節(jié)。原癌基因突變后成為促癌的癌基因，導致細胞癌變，也稱為細胞癌基因(cellular oncogene，c-onc)。,第二節(jié) 癌基因與抑癌基因,原癌基因產(chǎn)物： 生長因子 生長因子受體 信號轉(zhuǎn)導組分 細胞凋亡調(diào)節(jié)蛋白 轉(zhuǎn)錄因子,有些癌基因編碼活性過度的受體或活性過強的細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導蛋白，它們可在沒有外源信號的情況下促使細胞過度增殖而癌變.,原癌基因突變: Gain-of-function mutations,Bcl-2 oncogene: Prevent apoptosis,Ras oncogene: Retain bind GTP,2.抑癌基因,是一類抑制細胞過度生長、增殖從而遏制腫瘤形成的基因，也稱為抗癌基因。抑癌基因的丟失或失活可能導致腫瘤發(fā)生。 抑癌基因的產(chǎn)物： 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，如Rb、p53， 負調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子，如WT， 周期蛋白依賴性激酶抑制因子（CKI），如p15、p21 信號通路的抑制因子，如ras GTP酶活化蛋白GAP DNA修復(fù)因子，如BRCA1、BRCA2,RB基因即成視網(wǎng)膜細胞瘤基因，為視網(wǎng)膜母細胞瘤易感基因，基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物約4.7kb，產(chǎn)物為928個氨基酸組成的蛋白質(zhì)分布于核內(nèi)，是一類DNA結(jié)合蛋白。Rb蛋白的磷酸化去磷酸化是其調(diào)節(jié)細胞生長分化的主要形式，在細胞周期的G。、G1期，它表現(xiàn)為去磷酸化，在G。、S、M期則處于磷酸化狀態(tài)。,RB基因 (Retinoblastoma gene),抑癌基因的突變是隱性的。,Rb bind with E2F transcription factor,p53基因,人體抑癌基因。該基因編碼一種分子量為53kDa的蛋白質(zhì)，命名為P53。 P53蛋白主要集中于核仁區(qū)，能與DNA特異結(jié)合，在G1期檢查DNA損傷點，監(jiān)視基因組的完整性。如有損傷，P53蛋白阻止DNA復(fù)制，以提供足夠的時間使損傷DNA修復(fù)；如果修復(fù)失敗，P53蛋白則引發(fā)細胞凋亡;如果p53基因的兩個拷貝都發(fā)生了突變，對細胞的增殖失去控制，導致細