細(xì)胞生物學(xué)11細(xì)胞分化課件

1、細(xì)胞分化 Cell Differentiation北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)系細(xì)胞分化 Cell Differentiation內(nèi)容要求掌握細(xì)胞分化的概念、指標(biāo)及特點(diǎn)掌握細(xì)胞分化潛能的類型掌握細(xì)胞決定的概念內(nèi)容要求掌握細(xì)胞分化的概念、指標(biāo)及特點(diǎn)熟悉細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)機(jī)制熟悉細(xì)胞分化的影響因素了解細(xì)胞分化與腫瘤之間的關(guān)系了解胚胎早期發(fā)育的過(guò)程熟悉細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)機(jī)制背 景人用肉眼只能分辨相距0.1-0.2mm之間的兩個(gè)物體1665年，英國(guó)科學(xué)家Hooke利用光學(xué)顯微鏡觀察到植物細(xì)胞壁；1677年，荷蘭科學(xué)家觀察到人和哺乳動(dòng)物的細(xì)胞。光學(xué)顯微鏡的分辨率為0.2um1931年，誕生了第一臺(tái)電子顯微鏡。目

2、前電子顯微鏡的分辨率可達(dá)到10-10um 背 景人用肉眼只能分辨相距0.1-0.2mm之間的兩個(gè)細(xì)胞生物學(xué)11細(xì)胞分化課件生物體(多個(gè)、多種細(xì)胞)受精卵(單細(xì)胞)細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖細(xì)胞分化細(xì)胞體積增大、數(shù)量增加形成不同類型細(xì)胞生物體(多個(gè)、多種細(xì)胞)受精卵(單細(xì)胞)細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖細(xì)胞分實(shí)驗(yàn)路線 模式生物基因敲除 自體/異體移植 基因?qū)胗^察、分析現(xiàn)象，找出規(guī)律利用手術(shù)或藥物干擾動(dòng)物的發(fā)育，從所導(dǎo)致的異常結(jié)果來(lái) 推斷正常的作用性質(zhì)是闡明發(fā)育機(jī)制的主要途徑。實(shí)驗(yàn)路線 細(xì)胞生物學(xué)11細(xì)胞分化課件模式生物無(wú)脊椎動(dòng)物： 果蠅：易繁殖、成本低廉 線蟲(chóng)：秀麗隱桿線蟲(chóng)-生命周期僅2.5天、細(xì)胞數(shù)目少易 于追蹤。脊

3、椎動(dòng)物： 兩棲類：非洲爪蟾、蠑螈、蜥蜴-取卵方便 魚(yú)類：斑馬魚(yú)-世代周期短（3個(gè)月）、胚胎透明 鳥(niǎo)類：雞-胚胎發(fā)育與哺乳動(dòng)物接近、雞胚在體外發(fā)育 哺乳類：小鼠-胚胎發(fā)育與人類接近，世代周期僅2個(gè)月模式生物無(wú)脊椎動(dòng)物：哺乳動(dòng)物早期發(fā)育期間細(xì)胞分化的主要階段受精卵桑椹胚囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)上皮滋養(yǎng)層神經(jīng)溝外胚層中胚層脊索內(nèi)胚層三胚層胚胎哺乳動(dòng)物早期發(fā)育期間細(xì)胞分化的主要階段受精卵桑椹胚囊胚內(nèi)細(xì)胞基本概念桑椹胚： 在8細(xì)胞時(shí)期胚胎發(fā)生緊密化，形成一個(gè)實(shí)心的球體。緊密化后的胚胎至32細(xì)胞時(shí)期稱為桑椹胚?；靖拍罨靖拍?囊胚（胚泡）： 卵裂后期，桑椹胚體積進(jìn)一步增大，外周細(xì)胞分裂較快形成囊胚壁，稱滋養(yǎng)層；內(nèi)部

4、細(xì)胞分裂較慢，形成內(nèi)細(xì)胞團(tuán)，中間出現(xiàn)囊腔，稱囊胚腔。此時(shí)的胚胎稱為囊胚或胚泡?；靖拍罨靖拍?原腸作用： 胚胎細(xì)胞通過(guò)劇烈而又有序的運(yùn)動(dòng)，使囊胚細(xì)胞重新組合，形成三胚層胚胎結(jié)構(gòu)的過(guò)程。基本概念受精卵桑椹期內(nèi)細(xì)胞團(tuán)滋養(yǎng)外胚層外胚層（神經(jīng)、表皮）中胚層（脊索、血細(xì)胞、肌肉）內(nèi)胚層（消化道、肝臟、胰腺）胎盤(pán)ES細(xì)胞胚胎細(xì)胞的分化細(xì)胞分化與個(gè)體發(fā)育受精卵桑椹期內(nèi)細(xì)胞團(tuán)滋養(yǎng)外胚層外胚層（神經(jīng)、表皮）中胚層（脊第一節(jié)、概 述第一節(jié)、概 述(一) 細(xì)胞分化的概念一般概念： 細(xì)胞分化是指同一來(lái)源的細(xì)胞通過(guò)分裂逐漸產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和功能上穩(wěn)定性差異的過(guò)程。(一) 細(xì)胞分化的概念 分子水平概念： 細(xì)胞分化是基因選擇性表

5、達(dá)的結(jié)果，表現(xiàn)為不同類型的細(xì)胞合成出不同的特異性蛋白質(zhì)。 例如:紅細(xì)胞-血紅蛋白肌細(xì)胞-肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白漿細(xì)胞-抗體 分子水平概念：基因差異表達(dá)基因差異表達(dá)(二) 細(xì)胞分化的指標(biāo)三大指標(biāo)：形態(tài)結(jié)構(gòu)、生化特性和生理機(jī)能成熟的紅細(xì)胞：中間凹陷、圓盤(pán)狀、無(wú)核產(chǎn)生血紅蛋白能攜帶氧和二氧化碳肌細(xì)胞：梭形產(chǎn)生收縮蛋白(肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白)能收縮(二) 細(xì)胞分化的指標(biāo)三大指標(biāo)：形態(tài)結(jié)構(gòu)、生化特性和生理機(jī)能小腸上皮細(xì)胞紅細(xì)胞成纖維細(xì)胞不同類型細(xì)胞形態(tài)各異（掃描電鏡圖）小腸上皮細(xì)胞紅細(xì)胞成纖維細(xì)胞不同類型細(xì)胞形態(tài)各異（掃描電鏡圖(三)細(xì)胞分化的特點(diǎn)穩(wěn)定性 細(xì)胞一旦受到某種刺激、開(kāi)始向某一方向分化后，即使引起細(xì)

6、胞分化的因素不再存在，分化仍然繼續(xù)進(jìn)行，不會(huì)自發(fā)地逆轉(zhuǎn)到未分化狀態(tài)。 分化過(guò)程基本上是不可逆的，導(dǎo)致個(gè)體發(fā)育的不可逆性。增殖、分化發(fā)育衰老受精卵胚胎成體死亡(三)細(xì)胞分化的特點(diǎn)穩(wěn)定性增殖、分化發(fā)育衰老受精卵胚胎成體2.可逆性：在一定條件下，細(xì)胞分化又是可逆的。2.可逆性：野生胡蘿卜植株實(shí)驗(yàn)野生胡蘿卜植株實(shí)驗(yàn)非洲爪蟾的核移植實(shí)驗(yàn)非洲爪蟾的核移植實(shí)驗(yàn)克隆羊?qū)嶒?yàn)證明高度分化的哺乳動(dòng)物體細(xì)胞核也具有發(fā)育全能性?？寺⊙?Dolly克隆羊?qū)嶒?yàn)證明高度分化的哺乳動(dòng)物體細(xì)胞核也具有發(fā)育全能性。克隆羊?qū)嶒?yàn)克隆羊?qū)嶒?yàn)第二節(jié)、細(xì)胞分化潛能第二節(jié)、細(xì)胞分化潛能全能細(xì)胞（totipotent cell）： 在一定條件下

7、，有能力重新形成完整的個(gè)體或者分化形成該個(gè)體任何種類的細(xì)胞。胚胎細(xì)胞的分化潛能全能細(xì)胞（totipotent cell）：胚胎細(xì)胞的分化潛多能細(xì)胞 (pluripotent cell)： 發(fā)生潛能上出現(xiàn)一定的局限性，只具有演變?yōu)槎喾N細(xì)胞類型的能力，這種細(xì)胞稱為多能細(xì)胞。胚胎細(xì)胞的分化潛能胚胎細(xì)胞的分化潛能單能細(xì)胞(unipotent cell)： 僅具有分化形成某一種類型能力的細(xì)胞被稱為單能細(xì)胞。胚胎細(xì)胞的分化潛能胚胎細(xì)胞的分化潛能普遍規(guī)律： 在胚胎發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞分化潛能具有逐漸由全能轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄?，最后趨向于單能的分化趨?shì)。普遍規(guī)律：細(xì)胞決定(Cell Determination)： 細(xì)胞在出

8、現(xiàn)特異形態(tài)特征之前已經(jīng)確定了未來(lái)發(fā)育方向的能力。 細(xì)胞決定(Cell Determination)：移植實(shí)驗(yàn)顯示細(xì)胞的決定狀態(tài)原腸胚早期預(yù)定發(fā)育為表皮組織的區(qū)域移植至另一胚胎預(yù)定發(fā)育為腦組織的區(qū)域，供體表皮細(xì)胞在受體胚胎中將發(fā)育為腦組織；原腸胚晚期預(yù)定發(fā)育為表皮組織的區(qū)域移植至另一胚胎預(yù)定發(fā)育為腦組織的區(qū)域，供體表皮細(xì)胞在受體胚胎中將發(fā)育為表皮。移植實(shí)驗(yàn)顯示細(xì)胞的決定狀態(tài)原腸胚早期預(yù)定發(fā)育為表皮組織的區(qū)域細(xì)胞生物學(xué)11細(xì)胞分化課件 成蟲(chóng)盤(pán) (器官芽): 成蟲(chóng)盤(pán)是幼蟲(chóng)體內(nèi)處于未分化狀態(tài)的細(xì)胞團(tuán)，變態(tài)后由成蟲(chóng)盤(pán)產(chǎn)生相應(yīng)的腿、翅、觸角等成體的不同結(jié)構(gòu)，他們是預(yù)先向某種特定類型分化的已決定的細(xì)胞團(tuán)。

9、成蟲(chóng)盤(pán) (器官芽):果蠅成蟲(chóng)盤(pán)（imaginal disc）果蠅成蟲(chóng)盤(pán)（imaginal disc）細(xì)胞生物學(xué)11細(xì)胞分化課件胚胎細(xì)胞分化潛能的決定 細(xì)胞區(qū)域決定： 細(xì)胞在分化成一種細(xì)胞類型之前，細(xì)胞已經(jīng)具有了分化成與該細(xì)胞所在位置類型相同細(xì)胞的能力。胚胎細(xì)胞分化潛能的決定小雞胚胎翅芽嫁接實(shí)驗(yàn)顯示區(qū)域決定早期的腿芽細(xì)胞已經(jīng)具有了腿的決定，但沒(méi)有不可逆的定向?yàn)橥鹊奶囟ú糠?；最終定向?yàn)楹畏N組織和器官與最終發(fā)育時(shí)的位置有關(guān)。小雞胚胎翅芽嫁接實(shí)驗(yàn)顯示區(qū)域決定早期的腿芽細(xì)胞已經(jīng)具有了腿的第三節(jié)、細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)機(jī)制第三節(jié)、細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)機(jī)制基因組DNA轉(zhuǎn)錄primary RNA剪接mRNA穿過(guò)核膜翻譯降解

10、蛋白質(zhì)基因組DNA轉(zhuǎn)錄primary RNA剪接mRNA穿過(guò)核膜翻轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控細(xì)胞分化基因表達(dá)的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控細(xì)胞分化基因表達(dá)的調(diào)控基因功能分類：管家基因(house keeping gene)： 維持細(xì)胞基本活動(dòng)所必需的結(jié)構(gòu)與功能蛋白質(zhì)的編碼基因。奢侈基因(luxury gene)： 細(xì)胞特異性蛋白質(zhì)編碼基因，對(duì)細(xì)胞分化起重要作用，對(duì)細(xì)胞的生存無(wú)直接影響?；蚬δ芊诸悾航M合調(diào)控： 一組調(diào)節(jié)蛋白對(duì)某一基因表達(dá)共同協(xié)調(diào)的調(diào)節(jié)方式。組合調(diào)控：組合調(diào)控對(duì)細(xì)胞分化的作用組合調(diào)控對(duì)細(xì)胞分化的作用組合調(diào)控在器官發(fā)育中的作用組合調(diào)控在器官發(fā)育中的作用 RNA的差異：雜交實(shí)驗(yàn)檢測(cè)prima

11、ry RNA是否具有組織特異性。從肝細(xì)胞cDNA文庫(kù)中任選15個(gè)克隆(每個(gè)克隆含一個(gè)基因)，分別與提取的肝、腎、腦組織primary RNA雜交，檢測(cè)其是否能夠雜交配對(duì)。結(jié)果：肝primary RNA與15個(gè)克隆均雜交，而 能與腎、腦primary RNA雜交克隆數(shù)明顯減少。 RNA的差異：第四節(jié)、細(xì)胞分化的影響因素第四節(jié)、細(xì)胞分化的影響因素影響細(xì)胞分化的因素不對(duì)稱分裂細(xì)胞間的相互誘導(dǎo)相鄰細(xì)胞的側(cè)向抑制信號(hào)分子的梯度效應(yīng)細(xì)胞的內(nèi)在程序影響細(xì)胞分化的因素不對(duì)稱分裂（一）不對(duì)稱分裂 不對(duì)稱分裂會(huì)造成兩個(gè)子細(xì)胞的不同，一些重要的分子（決定子）在分裂時(shí)不均等的被分配到兩個(gè)子細(xì)胞中； 決定子：卵裂時(shí)，受

12、精卵的細(xì)胞質(zhì)物質(zhì)在子細(xì)胞中的分配是不均勻的，這些特殊細(xì)胞質(zhì)組分被稱為決定子。（一）不對(duì)稱分裂 不對(duì)稱分裂會(huì)造成兩個(gè)不對(duì)稱分裂存在于細(xì)胞質(zhì)中不對(duì)稱分配的分子直接或間接的改變所在子細(xì)胞基因表達(dá)的格局；含有生殖細(xì)胞決定子的細(xì)胞將來(lái)發(fā)育為生殖細(xì)胞；不對(duì)稱分裂細(xì)胞生物學(xué)11細(xì)胞分化課件（二）細(xì)胞間相互誘導(dǎo) 誘導(dǎo)式相互作用（inductive interaction）: 胚胎細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中，相鄰細(xì)胞的信號(hào)使群體內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)細(xì)胞性狀發(fā)生改變，這種過(guò)程被稱為誘導(dǎo)式相互作用。（二）細(xì)胞間相互誘導(dǎo) 誘導(dǎo)式相互作用（inductive 細(xì)胞生物學(xué)11細(xì)胞分化課件細(xì)胞間相互誘導(dǎo) 誘導(dǎo)式相互作用特點(diǎn)： 誘導(dǎo)式相互作用

13、具有時(shí)間和空間的限制。舉例： 中胚層脊索誘導(dǎo)外胚層分化為神經(jīng)管。細(xì)胞間相互誘導(dǎo) 誘導(dǎo)式相互作用胚胎細(xì)胞間的多級(jí)相互誘導(dǎo)初級(jí)誘導(dǎo)： 神經(jīng)管形成腦的部位誘導(dǎo)兩側(cè)形成視環(huán)次級(jí)誘導(dǎo)： 視環(huán)再誘導(dǎo)緊鄰?fù)馀邔蛹?xì)胞分化為晶狀體三次誘導(dǎo)： 晶狀體誘導(dǎo)表面上皮細(xì)胞分化為透明角膜胚胎細(xì)胞間的多級(jí)相互誘導(dǎo)初級(jí)誘導(dǎo)：胚胎細(xì)胞間的多級(jí)相互誘導(dǎo) 依次誘導(dǎo)（sequential induction）： 這種漸進(jìn)性的產(chǎn)生更復(fù)雜格局的策略被稱為依次誘導(dǎo) 。發(fā)育動(dòng)物主要通過(guò)這種方式規(guī)劃身體，在最初構(gòu)劃出大致輪廓后，隨發(fā)育的過(guò)程，一次又一次的精雕細(xì)琢。胚胎細(xì)胞間的多級(jí)相互誘導(dǎo)56天胚齡雞胚眼部結(jié)構(gòu)電鏡掃描圖56天胚齡雞胚眼部結(jié)構(gòu)電

14、鏡掃描圖（三）相鄰細(xì)胞的側(cè)向抑制側(cè)向抑制（lateral inhibition）： 經(jīng)過(guò)細(xì)胞間的相互誘導(dǎo)，一群細(xì)胞中的一部分細(xì)胞被誘導(dǎo)成不同的細(xì)胞之后，獲得了與周圍細(xì)胞不同的性狀，同時(shí)向鄰近的細(xì)胞傳遞一種信號(hào)，阻止他們成為與自己一樣的細(xì)胞，這種現(xiàn)象被稱為側(cè)向抑制。（三）相鄰細(xì)胞的側(cè)向抑制側(cè)向抑制（lateral inhi相鄰細(xì)胞的側(cè)向抑制實(shí)驗(yàn)舉例：發(fā)育中的蛙胚置于含成體蛙心碎片的培養(yǎng)液中，胚胎不能產(chǎn)生正常的心臟。發(fā)育中的蛙胚置于含成體蛙腦碎片的培養(yǎng)液中，胚胎不能產(chǎn)生正常的腦。相鄰細(xì)胞的側(cè)向抑制實(shí)驗(yàn)舉例：（四）信號(hào)分子的梯度效應(yīng)梯度效應(yīng)： 不同濃度的信號(hào)分子可使細(xì)胞進(jìn)入不同的分化途徑。這種效應(yīng)稱

15、為梯度效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)舉例： 胚胎肢芽一側(cè)的特化細(xì)胞分泌一種信號(hào)分子，擴(kuò)散后形成梯度，控制肢芽拇指到小指細(xì)胞的分化。（四）信號(hào)分子的梯度效應(yīng)梯度效應(yīng)：細(xì)胞生物學(xué)11細(xì)胞分化課件（五）細(xì)胞的內(nèi)在程序細(xì)胞的內(nèi)在程序： 細(xì)胞改變性狀是細(xì)胞內(nèi)在控制的，不需要誘導(dǎo)信號(hào)觸發(fā)。實(shí)驗(yàn)舉例： 出生7天的小鼠眼神經(jīng)膠質(zhì)祖細(xì)胞在恒定的環(huán)境中培養(yǎng)，8個(gè)分裂周期后將分化為少突神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。這與其在胚胎中發(fā)育的時(shí)間相同。（五）細(xì)胞的內(nèi)在程序細(xì)胞的內(nèi)在程序：第五節(jié)、細(xì)胞分化與腫瘤第五節(jié)、細(xì)胞分化與腫瘤腫瘤細(xì)胞是異常分化的細(xì)胞。個(gè)體發(fā)育是細(xì)胞有控生長(zhǎng)與逐步分化的結(jié)果，而腫瘤則是生長(zhǎng)失控與去分化的結(jié)果。 細(xì)胞分化與腫瘤腫瘤細(xì)胞是異常分化的細(xì)胞。 細(xì)胞分化與腫瘤癌角質(zhì)層生發(fā)層基膜血管轉(zhuǎn)移癌角質(zhì)層生發(fā)層基膜血管轉(zhuǎn)移腫瘤生成與基因表達(dá)基因編碼錯(cuò)誤抑癌基因抑制原癌基因激活腫瘤生成與基因表達(dá)基因編碼錯(cuò)誤 以藥物或生物制劑控制細(xì)胞分化和增殖是腫瘤治療的主要方向。目前，利用分化誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞分化已作為腫瘤治療的一種輔助療法。細(xì)胞分化與腫瘤治療細(xì)胞分化與腫瘤治療內(nèi)容回顧掌握細(xì)胞分化的概念、指標(biāo)及特點(diǎn)掌握細(xì)胞分化潛能的類型掌握細(xì)胞決定的概念熟悉影響細(xì)胞分化的因素內(nèi)容回顧掌握細(xì)胞分化的概念、