內(nèi)蒙古大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)講義15細(xì)胞分化與胚胎發(fā)育

1、第十五章 細(xì)胞分化與胚胎發(fā)育細(xì)胞分化(cell differentiation)：在個體發(fā)育中，由一種相同的細(xì)胞類型經(jīng)細(xì)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)生各不相同的細(xì)胞類群的過程。每個人的一生中都在進行著細(xì)胞分化。細(xì)胞分裂的不對稱性和細(xì)胞間的相互作用是細(xì)胞分化的兩個基本機制。細(xì)胞分化是多細(xì)胞生物發(fā)育的基礎(chǔ)與核心；細(xì)胞分化的關(guān)鍵在于特異性蛋白質(zhì)合成；合成特異性蛋白質(zhì)實質(zhì)在于組織特異性基因在時間和空間上的差異性表達；差異性表達的機制是由于基因表達的組合調(diào)控。細(xì)胞分化一、細(xì)胞分化的基本概念（一）細(xì)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（二）組織特異性基因與管家基因

2、管家基因(house-keeping genes)： 是指所有細(xì)胞中均要表達的一類基因，其產(chǎn)物是對維持細(xì)胞基本生命活動所必需的。組織特異性基因(tissue-specific genes)，或稱奢侈基因(luxry genes)：是指不同的細(xì)胞類型進行特異性表達的基因，其產(chǎn)物賦予各種類型細(xì)胞特異的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與特異的功能；調(diào)節(jié)基因（regulatory gene）：產(chǎn)物用于調(diào)節(jié)組織特異性基因的表達，起激活或者起阻遏作用。細(xì)胞分化的實質(zhì)：是組織特異性基因在時間和空間上的差別表達（differential expression）。（三）組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達組合調(diào)控：有限的少量調(diào)控蛋白啟

3、動為數(shù)眾多的特異細(xì)胞類型的分化的調(diào)控機制。即每種類型的細(xì)胞分化是由多種調(diào)控蛋白共同調(diào)節(jié)完成的。 生物學(xué)作用：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(dāng)?shù)恼{(diào)控蛋白組合，可以將一種類型的細(xì)胞轉(zhuǎn)化成另一種類型的細(xì)胞，而且遵循類似的機制，甚至可以誘發(fā)整個器官的形成（如眼的發(fā)育）。分化啟動機制：靠一種關(guān)鍵性調(diào)節(jié)蛋白通過對其他調(diào)節(jié)蛋白的級聯(lián)啟動。 （四）單細(xì)胞有機體的細(xì)胞分化單細(xì)胞與多細(xì)胞有機體細(xì)胞分化的不同之處：前者多為適應(yīng)不同的生活環(huán)境，而后者則通過細(xì)胞分化構(gòu)建執(zhí)行不同功能的組織與器官。多細(xì)胞有機體在其分化程序與調(diào)節(jié)機制方面顯得更為復(fù)雜。 （五）分化與再生 轉(zhuǎn)分化（transdi

4、fferentiation）：一種類型分化的細(xì)胞轉(zhuǎn)變成另一種類型的分化細(xì)胞現(xiàn)象。 轉(zhuǎn)分化經(jīng)歷去分化（dedifferentiation）和再分化（redifferentiation）的過程。 去分化（脫分化）：指分化細(xì)胞失去其特有的結(jié)構(gòu)與功能變成具有未分化細(xì)胞特征的過程。 再生（regeneration）：再生是指生物體缺失一部分后重建的過程，廣義的再生可包括分子水平、細(xì)胞水平、組織與器官水平及整體水平的再生。 分：-生理性再生：即細(xì)胞更新，如人的紅細(xì)胞。 不同的細(xì)胞有機體，其再生能力有明顯的差異。二、影響細(xì)胞分化的因素細(xì)胞全能性(totipotency)細(xì)胞全能性：是指細(xì)胞經(jīng)分裂和分化后仍具

5、有產(chǎn)生完整有機體的潛能或特性。如受精卵、早期的胚胎細(xì)胞、植物細(xì)胞。成熟動物細(xì)胞不具備全能性。60年代的爪蟾和80年代小鼠的核移殖，90年代末多利羊的誕生都證明了分化細(xì)胞具有完整的DNA。 1、植物細(xì)胞具有全能性，在適宜的條件下可培育成正常的植株；植物的枝、葉、根都有可能長成一株完整的植株，細(xì)胞培養(yǎng)的結(jié)果也證明即使高度分化的植物細(xì)胞也可以培養(yǎng)成一個完整的植株，因此可以說絕多數(shù)植物細(xì)胞具有全能性。2、動物細(xì)胞核移植（Nuclear transfer）； 實驗證明細(xì)胞核具有發(fā)育全能性，Dolly 羊的誕生說明高度分化的哺乳動物體細(xì)胞核也具有發(fā)育全能性。3、干細(xì)胞（Stem cell）與細(xì)胞發(fā)育潛能干

6、細(xì)胞：是一類具有分裂和分化能力的細(xì)胞。干細(xì)胞具有以下生物學(xué)特點：終生保持未分化或低分化特征；在機體的中的數(shù)目、位置相對恒定；具有自我更新能力；能無限制的分裂增殖；具有多向分化潛能，能分化成不同類型的組織細(xì)胞，造血干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞等成體干細(xì)胞具有一定的跨系、甚至跨胚層分化的潛能；分裂的慢周期性，絕大多數(shù)干細(xì)胞處于G0期；通過兩種方式分裂，對成分裂和不對稱分裂前者形成兩個相同的干細(xì)胞，后者形成一個干細(xì)胞和一個祖細(xì)胞。根據(jù)干細(xì)胞的分化能力，可以分為全能干細(xì)胞、多能干細(xì)胞和單能干細(xì)胞。-全能干細(xì)胞（totipotential stell cell）：可以分化為機體內(nèi)的任何一種細(xì)胞，

7、直至形成一個復(fù)雜的有機體。-多能干細(xì)胞（plripotential stem cell）：可以分化為多種類型的細(xì)胞，但它不可能分化出足以構(gòu)成完整個體的所有細(xì)胞，所以多能干細(xì)胞的分化潛能稱為多能性。如造血干細(xì)胞可以分化為12種血細(xì)胞。-單能干細(xì)胞（monopotential stem cell）：只能分化為一種類型的細(xì)胞，而且自我更新能力有限。來源于多能干細(xì)胞，具有向特定細(xì)胞系分化的能力，也稱為祖細(xì)胞。根據(jù)個體發(fā)育過程中出現(xiàn)的先后次序不同，干細(xì)胞又可分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。-胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cells，ESC）：是指從胚胎內(nèi)細(xì)胞團或原始生殖細(xì)胞篩選分離出的具有多能性

8、或全能性的細(xì)胞，此外也可以通過體細(xì)胞核移植技術(shù)獲得。ESC的用途主要有：克隆動物：由體細(xì)胞作為核供體進行克隆動物生產(chǎn)，雖然易于取材，但克隆動物個體中表現(xiàn)出嚴(yán)重的生理或免疫缺陷，而且多為致命性的；轉(zhuǎn)基因動物：以ESC細(xì)胞作為載體，可大大加快轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)的速度，提高成功率；組織工程：人工誘導(dǎo)ESC定向分化，培育出特定的組織和器官，用于醫(yī)學(xué)治療的目的。影響細(xì)胞分化的因素1、胞外信號分子對細(xì)胞分化的影響，如眼的發(fā)生；2、細(xì)胞記憶與決定：果蠅成蟲盤(imaginal disc)；3、環(huán)境對性別決定的影響；4、染色質(zhì)變化與基因重排對細(xì)胞分化的影響1）基因刪除：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

9、些細(xì)胞中，染色體破裂為碎片，有些含有著絲粒，在細(xì)胞分裂中保留，有的不具有著絲粒，而在分裂中丟失，但是將形成生殖細(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。原生動物、昆蟲、馬蛔蟲、甲殼動物。2）基因擴增：基因擴增是指細(xì)胞內(nèi)某些特定基因的拷貝數(shù)專一性地大量增加的現(xiàn)象果蠅多線染色體。3）基因重排：基因重排是基因區(qū)別表達的一種調(diào)控方式。免疫球蛋白基因（106108種抗體）。4）DNA的甲基化與異染色質(zhì)化：胞嘧啶的甲基化使基因失活。5、受精卵細(xì)胞質(zhì)的不均一性對細(xì)胞分化的影響動物卵細(xì)胞中貯存有大量mRNA，呈非均勻分布；用轉(zhuǎn)錄抑制劑放線菌素D處理海膽受精卵，胚胎發(fā)育仍能進行至囊胚期用蛋白質(zhì)翻譯抑制劑嘌呤

10、霉素處理受精卵，受精卵停止發(fā)育。卵裂后的細(xì)胞質(zhì)的特性決定了子細(xì)胞核的分化命運。昆蟲以表面卵裂的方式形成胚層細(xì)胞的。遷入卵的后端極質(zhì)部的細(xì)胞發(fā)育為原始生殖細(xì)胞，用紫外線照射這一區(qū)域，破壞極質(zhì)，卵將發(fā)育為無生殖細(xì)胞的不育個體。6、細(xì)胞間的相互作用（1）胚胎誘導(dǎo)（embryonic induction）：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。誘導(dǎo)者（inductor）：對其它細(xì)胞起誘導(dǎo)作用的細(xì)胞：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。（2）分化抑制：分化成熟的細(xì)胞可以產(chǎn)生抑素，抑制相鄰細(xì)胞發(fā)生同樣的

11、分化。如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。（3）細(xì)胞數(shù)量效應(yīng)小鼠胚胎胰腺原基在體外進行組織培養(yǎng)時，可發(fā)育成具有功能的胰腺組織，但如果把胰原基切成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。（4）細(xì)胞外基質(zhì)的影響干細(xì)胞在IV型膠原和層粘連蛋白上分化為上皮細(xì)胞；在I型膠原和纖粘連蛋白上形成纖維細(xì)胞；在II型膠原及軟骨粘連蛋白上發(fā)育為軟骨細(xì)胞。（5）激素的作用如昆蟲的保幼激素和脫皮激素。三、細(xì)胞分化與胚胎發(fā)育同源異型基因（homeotic selector gene，Hox gene）果蠅體節(jié)發(fā)育中起關(guān)鍵作用的基因群。含有高度保守的18

12、0bp組成的DNA序列，稱同源框。編碼60個氨基酸，形成a螺旋-轉(zhuǎn)角- a螺旋結(jié)構(gòu)，與DNA序列大溝相互作用，啟動基因表達。同源異型基因在染色體上的排列與胚胎發(fā)育在時、空序列上是一致的。真核細(xì)胞基因表達的調(diào)控真核細(xì)胞基因表達的調(diào)控是多級調(diào)控系統(tǒng)，主要發(fā)生在三個彼此相對獨立的水平上轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 加工水平的調(diào)控 翻譯水平的調(diào)控 一、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（一）真核生物的轉(zhuǎn)錄激活 基因轉(zhuǎn)錄水平的控制錯綜復(fù)雜，受多種因素影響 TATA盒、CAAT盒和GC盒，TATA盒決定轉(zhuǎn)錄起始的位點，CAAT盒和GC盒決定RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄基因的效率。這三種普遍的啟動子元件的位置見圖第1行。 缺失作圖法（deletion

13、mapping）與DNA足紋技術(shù)（DNA footprinting）鑒定啟動子區(qū)域特殊位點的功能 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄因子與DNA序列相互作用最常見的幾種結(jié)構(gòu)模式（二）基因表達阻遏DNA甲基化（DNA methylation）與基因表達阻遏有關(guān) 基因組印記（genomic imprinting）是說明甲基化作用在基因表達中具有重要意義的最好例證，也是哺乳動物所特有的現(xiàn)象二加工水平的調(diào)控選擇性拼接是一種廣泛存在的RNA加工機制，通過這種方式，一個基因能編碼兩個或多個相關(guān)的蛋白質(zhì)組成型拼接(constittive splicing),一個基因只產(chǎn)生一種成熟的mRNA，一般也只產(chǎn)生一種蛋白質(zhì)產(chǎn)物可調(diào)控的選擇性拼接產(chǎn)生不同的成熟mRNA，翻譯產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì),如纖粘蛋白(fibronectin)的合成某一特定的外顯子是否被包括在成熟mRNA內(nèi)，主要取決于它的3和5端拼接位點是否被拼接機器選擇為切割位點三翻譯水平的調(diào)控（一）、mRNA的細(xì)胞質(zhì)定位啟動一個動物受精卵形成胚胎所需要的信息預(yù)存在卵子發(fā)生期的卵母細(xì)胞