金識源專版高中生物 第六章 第二節(jié) 細(xì)胞的分化素材 新人教版必修1.doc

第6章第2節(jié)1.細(xì)胞分化的生理機(jī)制（1）細(xì)胞分裂的不對稱性卵母細(xì)胞的細(xì)胞核并不位于中央，而是在細(xì)胞外周靠近表面的地方，極體就是從這里形成并釋放出來的，通常把極體釋放的位點稱為動物極，而相對的一極稱為植物極。動物卵細(xì)胞中，貯存有25萬種不同核苷酸序列的mRNA，專供受精卵的啟動、分化和發(fā)育之用。卵細(xì)胞中的mRNA并非均勻分布的，而是位于特定的空間。因此，卵細(xì)胞質(zhì)的特性決定了子細(xì)胞核的分化命運，如昆蟲是以表面卵裂的方式形成胚層細(xì)胞的。（2）細(xì)胞間的相互作用胚胎誘導(dǎo)在胚胎發(fā)育過程中，一部分細(xì)胞影響相鄰細(xì)胞向一定方向分化的作用稱為胚胎誘導(dǎo)，如中胚層形成的脊索可誘導(dǎo)其頂部的外胚層發(fā)育成神經(jīng)板、神經(jīng)溝和神經(jīng)管，視細(xì)胞可誘導(dǎo)其外面的外胚層形成晶體，而晶體又可誘導(dǎo)外胚層形成角膜。分化抑制用含有成蛙心組織的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚，則蛙胚不能發(fā)育出正常的心臟，若去除成蛙心組織，則蛙胚發(fā)育正常，這說明分化成熟的細(xì)胞可以產(chǎn)生某種物質(zhì)，抑制相鄰細(xì)胞發(fā)生同樣的分化，這種作用稱為分化抑制。細(xì)胞數(shù)量效應(yīng)當(dāng)小鼠胚胎胰腺原基在體外進(jìn)行組織培養(yǎng)時，可發(fā)育成具有功能的胰腺組織，但是，如果把胰腺原基切成8小塊分別培養(yǎng)，則都不能形成胰腺組織；如果再把分開的小塊合起來，又可形成胰腺組織?？梢娂?xì)胞數(shù)量對誘導(dǎo)組織形成可能也是必要的。細(xì)胞外基質(zhì)細(xì)胞外基質(zhì)在胚胎發(fā)育和細(xì)胞分化中也具有重要的作用。激素的作用激素對細(xì)胞分化的影響可看做是遠(yuǎn)距離細(xì)胞間的相互作用，如昆蟲的保幼激素和蛻皮激素。前者的功能是保持幼蟲特征，促進(jìn)成蟲器官原基的發(fā)育，后者的功能是促進(jìn)蛻皮和成蟲形態(tài)的出現(xiàn)。當(dāng)兩者保持一定的比例時，幼蟲蛻皮而長大，當(dāng)保幼激素含量減少或不合成時，幼蟲化蛹，變?yōu)槌上x。成蟲期又開始合成保幼激素，促進(jìn)性腺的發(fā)育。2.細(xì)胞分化的分子機(jī)制（1）染色體結(jié)構(gòu)的變化與細(xì)胞分化基因剔除 某些原生動物、昆蟲和甲殼動物在細(xì)胞分化過程中有部分染色體丟失的現(xiàn)象。例如，馬蛔蟲的一個變種（2n=4），當(dāng)個體發(fā)育到一定階段時，在將要分化為體細(xì)胞的那些細(xì)胞中，染色體破裂為碎片，含有著絲粒的碎片在細(xì)胞分裂中保留，不具有著絲粒的碎片在分裂中丟失。不過，預(yù)定形成生殖細(xì)胞的那些細(xì)胞中不發(fā)生染色體的斷裂和丟失現(xiàn)象。基因擴(kuò)增 基因擴(kuò)增是指細(xì)胞內(nèi)特定基因的拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象。例如，在卵裂和胚胎發(fā)育過程中，爪蟾卵母細(xì)胞中的rDNA基因大量擴(kuò)增而形成大量核糖體，以供大量合成蛋白質(zhì)所需；在果蠅的唾腺細(xì)胞中，由于DNA復(fù)制而核不分裂，很容易觀察到多線染色體?；蛑嘏?哺乳動物能產(chǎn)生106108種抗體，但并不意味著細(xì)胞內(nèi)具有相應(yīng)數(shù)量的基因，免疫球蛋白是異四聚體結(jié)構(gòu)，除重鏈和輕鏈的隨機(jī)組合以外，免疫球蛋白的多樣性主要來源于基因的重新組合。從這一點來看淋巴細(xì)胞的分化是不可逆的。DNA的甲基化 脊椎動物一些基因的活性與基因調(diào)控區(qū)域或其周圍特定胞嘧啶的甲基化有關(guān)，甲基化使基因失活，相應(yīng)地非甲基化和低甲基化能活化基因的表達(dá)。細(xì)胞內(nèi)的基因可分為管家基因（house-keeping gene）和奢侈基因（luxury gene），前者是維持細(xì)胞生存不可缺少的，后者與細(xì)胞分化有關(guān)，是與組織特異性表達(dá)有關(guān)的基因，在特定組織中保持非甲基化或低甲基化狀態(tài)，而在其他組織中呈甲基化狀態(tài)。（2）基因與細(xì)胞分化無論是母體mRNA的作用還是細(xì)胞間的相互作用，其結(jié)果是啟動特定基因的表達(dá)。因此細(xì)胞分化的實質(zhì)是基因的差次表達(dá)或順序表達(dá)。即特定的基因在特定的時間內(nèi)在特定的組織中表達(dá)的結(jié)果。受精卵發(fā)育為新個體，是受一系列基因調(diào)控的，這些基因在發(fā)育過程中，按照時間、空間順序啟動和關(guān)閉，互相協(xié)調(diào)，對胚胎細(xì)胞的生長和分化進(jìn)行調(diào)節(jié)。人和鼠都是從單個受精卵發(fā)育而來的。其實，從一個受精卵中產(chǎn)生什么生物完全由基因組決定。這種決定究竟如何進(jìn)行的呢？人體細(xì)胞的類型比我們想像的少得多。按照常規(guī)的組織學(xué)分類方法，脊椎動物和人體細(xì)胞類型約有200余種。這些細(xì)胞在人體中呈現(xiàn)有序的空間分布。細(xì)胞的種類或形狀彼此不同，是因為不同細(xì)胞中合成一些彼此不同的特殊蛋白“奢侈蛋白”，如表皮細(xì)胞的角蛋白，紅細(xì)胞的血紅蛋白，消化道細(xì)胞的消化酶，透鏡狀細(xì)胞的晶體蛋白，等等。除了這些“奢侈蛋白”以外，幾乎所有細(xì)胞中合成的蛋白質(zhì)都是一些生活必需品“持家蛋白”。由于細(xì)胞類型的差異源于細(xì)胞中工作的基因類群不同，所以人們自然想到也許細(xì)胞中的基因組成發(fā)生了改變。例如，透鏡狀細(xì)胞不能合成血紅蛋白和角蛋白，可能是丟失了血紅蛋白和角蛋白的基因，而只剩下了晶體蛋白。或者，細(xì)胞中其他基因沒有變化，但晶體蛋白基因增加了很多份。然而，許許多多的證據(jù)顯示，沒有這類可能性。幾乎所有細(xì)胞的基因組都和受精卵的一模一樣。已有實驗證明，雖然分化常常伴隨著顯著的細(xì)胞外觀變化，但細(xì)胞的基因組總是保持不變。兩棲類卵細(xì)胞較大，先用紫外線破壞它的核，再用玻璃微細(xì)管將其他細(xì)胞的核吸出，注入去核的卵細(xì)胞中。玻璃微細(xì)管刺入卵細(xì)胞時，會使卵細(xì)胞活化并開始分裂和分化。用各種分化細(xì)胞的核置換卵細(xì)胞的核，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們和卵細(xì)胞的核完全一樣，都可以發(fā)育成有生育能力的成蛙。3.細(xì)胞分化與再生進(jìn)入生長期之后，分化細(xì)胞即使進(jìn)一步分裂，其分化的特性并不會改變。脊椎動物的皮膚、血液、肺等組織上的細(xì)胞，每過一段時間便會更新?lián)Q代。機(jī)體多數(shù)組織的細(xì)胞并不需要更新，有些特殊細(xì)胞將終生保持胚胎發(fā)育早期形成的數(shù)目。這些細(xì)胞因為不再分裂，所以一旦喪失便無法補充，如神經(jīng)細(xì)胞、心肌細(xì)胞、透鏡狀細(xì)胞等。當(dāng)然，這些細(xì)胞通常壽命很長，并且處于多重保護(hù)之下。除此之外，它們之間沒有其他共同之處。為什么其他細(xì)胞需要不斷更新，而這些細(xì)胞卻可以終生保持呢？原因很難找尋，但是，至少對神經(jīng)細(xì)胞來說，細(xì)胞更新將改變已經(jīng)形成的精巧的神經(jīng)通路，致使某些記憶喪失。至于心肌細(xì)胞，目前尚難解釋。細(xì)胞再生有兩種方式，其一是通過已分化細(xì)胞的分裂細(xì)胞復(fù)制，其二是通過干細(xì)胞再生。干細(xì)胞的性質(zhì)、再生速度以及再生過程非常多樣化。干細(xì)胞可以無限分裂產(chǎn)生分化細(xì)胞。形形色色的血細(xì)胞都是由多能的干細(xì)胞分化形成的，這些干細(xì)胞主要在成體的骨髓中產(chǎn)生。多能干細(xì)胞在胚胎發(fā)育早期，通過血液循環(huán)進(jìn)入骨髓、脾臟和肝臟，并分別在這些組織中形成有造血功能的細(xì)胞群。4.干細(xì)胞及其分類一個成熟或者已分化的細(xì)胞進(jìn)行分裂通常只能產(chǎn)生同種類型的細(xì)胞，而一個干細(xì)胞則可以分化形成多種類型的細(xì)胞。干細(xì)胞有很多種類型，它們存在于從胚胎到成體各個階段的組織和器官里。胚胎干細(xì)胞分裂速度快，并且有產(chǎn)生多種分化細(xì)胞類型的潛力，因此，它們也被稱為多能干細(xì)胞。成體干細(xì)胞分布于很多組織中，但是它們數(shù)量稀少，分裂頻率低，分化潛力也很有限。事實上，很多類型的干細(xì)胞至今沒有在成體中找到。例如，肺上皮細(xì)胞缺陷會造成囊性纖維化，而成體中還沒有發(fā)現(xiàn)可以產(chǎn)生這種細(xì)胞的干細(xì)胞。利用干細(xì)胞進(jìn)行各種疾病治療的關(guān)鍵在于能否成功分離胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞，并將它們在體外擴(kuò)增后用于替代受損的組織。一般認(rèn)為每種成體干細(xì)胞只能分化產(chǎn)生幾種相關(guān)的成熟細(xì)胞類型，但最近有研究表明，在某些環(huán)境中，一種干細(xì)胞類型可以轉(zhuǎn)化成其他類型的細(xì)胞，例如，造血干細(xì)胞可以分化形成神經(jīng)細(xì)胞。因為大多數(shù)疾病只是由于一類細(xì)胞損壞造成的，所以針對特定細(xì)胞類型的干細(xì)胞治療要比原來整個器官的移植更具優(yōu)勢。例如，帕金森氏綜合癥、多發(fā)性硬化和糖尿病等慢性疾病非常適合利用干細(xì)胞治療。但是，在一些患有慢性疾病或多組織急性衰竭患者的受損組織中，通常很難再找到合適的干細(xì)胞。即使能夠分離到相應(yīng)的干細(xì)胞，也不一定能保證通過體外培養(yǎng)獲得治療所需的數(shù)量。最具潛力的干細(xì)胞是從胚泡中分離的胚胎干細(xì)胞。發(fā)育5天的人類胚泡最多有100個細(xì)胞，其中包括兩種類型：將來發(fā)育成胎盤的外層細(xì)胞和發(fā)育成胚胎的內(nèi)層細(xì)胞，即內(nèi)細(xì)胞團(tuán)（ICM）。通常，移除外層細(xì)胞將導(dǎo)致ICM無法發(fā)育形成胚胎，但是，ICM可以在培養(yǎng)皿中快速分裂產(chǎn)生胚胎干細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞有很多顯著的特征。例如，雖然它們在染色體組型等方面和正常的細(xì)胞沒有差別，但卻可以在體外無限增殖。另外，胚胎干細(xì)胞在體外可以分化形成很多類型的細(xì)胞，這些細(xì)胞再移植回動物體內(nèi)，可以在一定程度上改善一些模型動物的病情。如果有辦法攻克免疫排斥的難題，胚胎干細(xì)胞移植有可能成為治療多種疾病的有效途徑。5.細(xì)胞核移植治療性克隆最理想的干細(xì)胞治療是使用來自患者自身的胚胎干細(xì)胞。然而，除了早期胚胎以外，我們無法從其他渠道獲得胚胎干細(xì)胞。那么，在成體中逆轉(zhuǎn)細(xì)胞正常分化的方向，從而得到適合的干細(xì)胞成了另一條可能的途徑。實驗設(shè)計的基本想法是用某種物質(zhì)將成體細(xì)胞逆轉(zhuǎn)成胚性細(xì)胞。這些物質(zhì)可以來自早期胚胎本身，也可以來自卵細(xì)胞，因為卵細(xì)胞豐富的細(xì)胞質(zhì)中含有早期胚胎發(fā)育所必須的因子。這些因子也同樣可以使體細(xì)胞核進(jìn)入早期胚胎發(fā)育的狀態(tài)，所以，除去卵細(xì)胞的核并植入來自成人細(xì)胞的核，就可能得到一個胚胎?，F(xiàn)在人們關(guān)注的焦點是能否利用核移植技術(shù)制造人類胚胎干細(xì)胞用以治療疾病，并且，能否利用患者自身的細(xì)胞來滿足特異性要求，解決免疫抑制的問題，確切地說，科學(xué)家還沒有找到最終答案。目前，核移植技術(shù)在很多物種中取得了成功，但在某些物種中卻失敗了，如果將這一技術(shù)用于人類，結(jié)果將會如何，目前還沒有清晰的答案。6.患者特異性干細(xì)胞治療適合干細(xì)胞治療的方法主要有兩種。一種是利用患者的活組織提取細(xì)胞核，轉(zhuǎn)入捐獻(xiàn)者的卵母細(xì)胞，重建早期胚胎并在體外培養(yǎng)至胚泡階段，分離ICM得到胚胎干細(xì)胞。它們與患者有共同的遺傳組成，所以可被視為患者的擴(kuò)展部分。然后，利用研究小鼠模型所積累的經(jīng)驗，將胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)成與疾病相關(guān)的細(xì)胞類型，用于治療帕金森氏綜合癥、心臟病或脊髓損傷等。最近的研究表明，還可以使人類胚胎干細(xì)胞沿著特定的軌跡分化。不過，目前還不知道哪種活組織是最好的細(xì)胞核供體。另一種方法是將某種成體干細(xì)胞誘導(dǎo)成另一種適合治療疾病的類型，其優(yōu)勢是顯而易見的。不過，成體干細(xì)胞非常稀少并且很難獲取，例如，造血干細(xì)胞僅占血細(xì)胞總量的1/107；雖然它在骨髓中的含量相對多些，但仍然稀少。盡管造血干細(xì)胞還可以取自新生兒的臍帶血，但是臍帶血需預(yù)先儲備并且無法重復(fù)利用。目前還沒有關(guān)于純化臍帶血造血干細(xì)胞方法的報道，并且它們可否產(chǎn)生造血系統(tǒng)以外的其他細(xì)胞類型尚不清楚。另外，有研究人員認(rèn)為，