細(xì)胞生物學(xué)課件：第15章 細(xì)胞分化與胚胎發(fā)育

細(xì)胞分化與胚胎發(fā)育第15章細(xì)胞分裂細(xì)胞生長(zhǎng)(分化)細(xì)胞死亡分裂原DNA損傷生長(zhǎng)因子缺乏死亡因子的存在生長(zhǎng)因子細(xì)胞分裂、細(xì)胞生長(zhǎng)和細(xì)胞死亡決定生物個(gè)體大小細(xì)胞數(shù)量細(xì)胞體積(大小)生物個(gè)體細(xì)胞分化：由一種相同的細(xì)胞類型經(jīng)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(xì)胞類群的過(guò)程。第一節(jié)、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(dá)的結(jié)果細(xì)胞分化的關(guān)鍵在于:特定的時(shí)間、不同的細(xì)胞中表達(dá)了不同的基因，導(dǎo)致不同類型細(xì)胞中特異性蛋白質(zhì)的合成。（二）管家基因和組織特異性基因管家基因：所有細(xì)胞中均表達(dá)的基因，其產(chǎn)物是維持細(xì)胞基本生命活動(dòng)所必需的，如細(xì)胞基礎(chǔ)代謝活動(dòng)所需的酶類、核糖體蛋白、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、細(xì)胞周期調(diào)控蛋白等。占基因總數(shù)的少部分（<3%）。組織特異性基因：不同類型細(xì)胞中特異性表達(dá)的基因，賦予細(xì)胞特異的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能。調(diào)控并參與細(xì)胞分化、組織與器官的構(gòu)建等。占基因總數(shù)的絕大多數(shù)。MyoD、Ey/Pax6等主導(dǎo)基因(Mastergene)(關(guān)鍵性調(diào)控蛋白）誘導(dǎo)的蛋白+已存在的蛋白

(combinatorialcode)特異性結(jié)構(gòu)和功能蛋白的產(chǎn)生組織、器官的形成（三）組合調(diào)控(combinatorialcontrol)三種調(diào)控蛋白可以產(chǎn)生八種不同類型的細(xì)胞（四）單細(xì)胞有機(jī)體的細(xì)胞分化原核單細(xì)胞生物：枯草桿菌–芽孢；魚腥藻–營(yíng)養(yǎng)體細(xì)胞、固氮的異形胞。真核單細(xì)胞生物：芽殖酵母–二倍體(a/a)、單倍體孢子a和a；黏菌–二倍體營(yíng)養(yǎng)體、單倍體孢子為多細(xì)胞的假原質(zhì)團(tuán)。黏菌繁殖過(guò)程-為適應(yīng)外界的生活環(huán)境所作的改變轉(zhuǎn)分化：一種類型的分化細(xì)胞轉(zhuǎn)變成另一種類型的分化細(xì)胞的現(xiàn)象。如低等動(dòng)物肢體、眼晶體的再生，和植物的整體再生。（五）轉(zhuǎn)分化(transdifferentiation)和再生(regeneration)去分化：分化的細(xì)胞失去特有的結(jié)構(gòu)與功能特征，變成具有未分化細(xì)胞特征的過(guò)程。如分化的植物體細(xì)胞在一定條件下形成未分化愈傷組織。去分化再分化再生

(regeneration)：生物體失去部分結(jié)構(gòu)后重建的過(guò)程，多數(shù)情況下包括去分化和再分化。

不同生物的再生能力差異巨大，與細(xì)胞分化狀態(tài)的可塑性和干細(xì)胞的存在有關(guān)。二、細(xì)胞的全能性與多能干細(xì)胞胚胎干細(xì)胞成體干細(xì)胞祖細(xì)胞或前體細(xì)胞干細(xì)胞unlimitedself-renewallimitedself-renewal祖細(xì)胞或共同祖細(xì)胞Totipotentcells:canproducealltypesofcells(embryonicandextraembryonic).Pluripotentcells:canproducecellsofallthreegermlayersbutnotextraembryoinccells.Multipotentcells:canproduceonlyacloselyrelatedfamilyofcells(e.g.hematopoieticstemcells).Unipotentcellscanproduceonlyonecelltype.totipotent（全能性）pluripotent（多能性）multipotent（多能性）受精卵2細(xì)胞桑椹胚(8cells)囊胚桑椹胚(16cells)unipotent（單能性）全能性多能性單能性造血干細(xì)胞(multipotent)unipotent胚胎干細(xì)胞系的建立干細(xì)胞的用途：1。供研究，2。供治療–免疫排斥？誘導(dǎo)分化產(chǎn)生的胰島b細(xì)胞的移植細(xì)胞核的全能性、核移植和重編程(reprogramming)：動(dòng)物克隆與再生醫(yī)學(xué)動(dòng)物克隆iPS(inducedpluripotentstemcell)細(xì)胞系的建立iPS細(xì)胞的意義：高等動(dòng)物高度分化的細(xì)胞也可以去分化；可能解決自身干細(xì)胞來(lái)源的問(wèn)題。

受精卵細(xì)胞質(zhì)的不均一性：隱蔽mRNA不均一地分配到子細(xì)胞中，導(dǎo)致determination

細(xì)胞記憶：determination影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化和positivefeedbackloop,產(chǎn)生記憶內(nèi)在調(diào)節(jié)蛋白組合MastergeneCombinatorialcode↓(轉(zhuǎn)錄因子)分化外界

細(xì)胞間作用和位置效應(yīng):Sonichedgehoggradient (paracrine)

胞外信號(hào):FGF,TGF,Wnt,BMP,Notch,hormone等 (embryonicinduction)三、影響細(xì)胞分化的因素胞外信號(hào)分子對(duì)細(xì)胞分化的影響細(xì)胞間相互作用與位置效應(yīng)第二節(jié)、胚胎發(fā)育中的細(xì)胞分化一、生殖細(xì)胞的分化（一）哺乳動(dòng)物的性別分化-性別的分化決定于性腺的分化，-性腺的分化決定于Y染色體，-Y染色體上存在TDF(testis-determiningfactor),

從(46，XX)男性的X染色體上發(fā)現(xiàn)SRY(sex-determiningregionofY)=TDF1。SRY的發(fā)現(xiàn)

生殖細(xì)胞的前體–原生殖細(xì)胞是由體細(xì)胞形成的，沒有性別差異，具有分化成精子和卵的潛能，不同性細(xì)胞的分化決定于性腺的分化。

性腺的形成：

1。生殖嵴原基：由體腔上皮和間充質(zhì)的體細(xì)胞形成（性腺前體）；

2。生殖細(xì)胞前體：原生殖細(xì)胞(primordialgermcell,PGC)由胚外的尿囊組織沿腸管移到胚內(nèi)，經(jīng)中腎進(jìn)入生殖嵴原基（人第6周）。原生殖細(xì)胞的遷移2。SRY與性腺細(xì)胞的分化雄性生殖嵴的形成：人胚胎發(fā)育第6周，PGC到達(dá)生殖嵴，在XY個(gè)體，一些體細(xì)胞開始表達(dá)SRY，最終分化為支持細(xì)胞：誘導(dǎo)PGC向精子方向分化；分泌抗穆勒氏管激素，促使其退化，抑制雌性生殖管道的形成

(輸卵管、子宮和陰道上部)；引導(dǎo)臨近間充質(zhì)組織中的上皮和平滑肌細(xì)胞移入生殖嵴內(nèi)，為精子形成提供結(jié)構(gòu)支持；誘導(dǎo)生殖嵴的其它體細(xì)胞成為睪丸間質(zhì)細(xì)胞(Leydig細(xì)胞)分泌睪酮：誘導(dǎo)烏爾夫氏管分化為雄性生殖管道(輸精管、前列腺);誘導(dǎo)雄性特征的形成。

雌性生殖嵴的形成：在XX個(gè)體，形成支持細(xì)胞的細(xì)胞分化為濾泡細(xì)胞；濾泡細(xì)胞誘導(dǎo)生殖嵴中其它體細(xì)胞分化為膜細(xì)胞(thecacell)，分泌雌激素。SRY作為另一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子Sox9的開關(guān)，啟動(dòng)Sox9表達(dá)；Sox9激活FGF9表達(dá)，F(xiàn)GF9蛋白分泌到細(xì)胞外，作為信號(hào)分子：FGF9作用于本身和臨近細(xì)胞，維持Sox9表達(dá)水平；抑制Wnt4表達(dá)，遏制雌性特征的形成；觸發(fā)細(xì)胞向XY性腺遷移，穩(wěn)定支持細(xì)胞的分化狀態(tài)，形成睪丸索。Sox9激活抗穆勒氏管激素的表達(dá)，使其退化，阻止雌性生殖管道的形成。細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子細(xì)胞外生長(zhǎng)因子(Wnt4-FGF9決定性別)3。SRY的作用機(jī)制（二）生殖細(xì)胞的形成與成熟小鼠PGC細(xì)胞在生殖嵴內(nèi)的分裂部分胚外組織細(xì)胞分泌BMP4等臨近細(xì)胞表達(dá)Oct4(小鼠6dpc)PGC一些基因發(fā)生特異性甲基化和組蛋白修飾生殖嵴對(duì)生殖細(xì)胞減數(shù)分裂的調(diào)控出生前出生后11.5dpc二、早期胚胎發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞分化（一）動(dòng)物早期發(fā)育概述桑椹胚囊胚卵裂期囊胚囊胚形成期囊胚原腸胚原腸胚形成期囊胚（外表）囊胚（切面）早期原腸胚晚期原腸胚（二）神經(jīng)胚期1.脊索的形成2.神經(jīng)管的形成3.神經(jīng)嵴細(xì)胞的形成卵裂桑椹期原腸胚期神經(jīng)胚器官形成期動(dòng)物胚胎發(fā)育的主要分期（三）神經(jīng)管的初期分化1.神經(jīng)干細(xì)胞的維持FGF維持干細(xì)胞狀態(tài)

RA促進(jìn)神經(jīng)前體細(xì)胞分化

Wnt維持腹側(cè)前體細(xì)胞的分裂

Shh-BMP誘導(dǎo)腹-背分化Delta-Notch與神經(jīng)前體細(xì)胞的分化三、果蠅胚胎早期發(fā)育中的細(xì)胞分化第15章在個(gè)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)生不同的細(xì)胞類型的過(guò)程稱之為細(xì)胞分化。細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。分化細(xì)胞所表達(dá)的基因一類稱管家基因，另一類稱組織特異性基因。組織特異性基因的產(chǎn)物不僅影響分化細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)，而且決定細(xì)胞所執(zhí)行的各自的生理功能。每種類型的分化細(xì)胞是由不同的調(diào)控蛋白以組合調(diào)控的方式，啟動(dòng)組織特異性基因的表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分化的調(diào)控。細(xì)胞分化程序與調(diào)控涉及諸多因素，如受精卵的不均一性、胞外信號(hào)分子的作用、細(xì)胞間的相互作用與細(xì)胞的位置效應(yīng)以及細(xì)胞的記憶等。其中，信號(hào)分子的作用是調(diào)控細(xì)胞分化最主要的因素。干細(xì)胞是機(jī)體中能進(jìn)行自我更新和多向分化潛能并具有形成克隆能力的一類細(xì)胞。根據(jù)分化潛能的不同，干細(xì)胞可分為全能干細(xì)胞、多潛能干細(xì)胞、多能干細(xì)胞和單能干細(xì)胞。根據(jù)來(lái)源不同，干細(xì)胞又可以分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。誘導(dǎo)性多潛能干細(xì)胞制備技術(shù)的建立，不僅加深了人們對(duì)細(xì)胞全能性的理解，而且極大地推動(dòng)了干細(xì)胞與細(xì)胞分化的理論研究及其臨床應(yīng)用。細(xì)胞分化最偉大的杰作，在于后生生物個(gè)體的形成，而后生動(dòng)物的發(fā)育，是最為復(fù)雜，也是最引人入勝的生命過(guò)程。生物相對(duì)有限的基因，憑借重復(fù)而富有創(chuàng)造性的方式指導(dǎo)細(xì)胞的行為，分化并產(chǎn)生當(dāng)今世界上多種生命體。在這個(gè)過(guò)程中，F(xiàn)GF、TGF-β、RA、Shh和Wnt等信號(hào)系統(tǒng)，按照極其相似的方式調(diào)控各種發(fā)育進(jìn)程。哺乳動(dòng)物雌雄兩性的分化，源于生殖腺細(xì)胞的分化。性腺原基——生殖嵴的固有分化方向是卵巢，Y染色體攜帶的SRY基因?qū)π韵俜只癁椴G丸是必需的，而Sox9則是更普遍的決定睪丸分化的基因，存在于所有脊椎動(dòng)物。原生殖細(xì)胞經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離遷移，進(jìn)入生殖嵴，它們的分化方向由性腺的分化方向決定，RA和Wnt信號(hào)通路起了決定作用，尤其是RA及其頡頏物Cyp26b1是控制減數(shù)分裂的關(guān)鍵因素。脊椎動(dòng)物的發(fā)育過(guò)程經(jīng)過(guò)受精、卵裂、囊胚和原腸胚，形成3個(gè)胚層，脊索中胚層誘導(dǎo)其附近的外胚層形成神經(jīng)管。神經(jīng)管的形成，是微管和微絲等細(xì)胞骨架聯(lián)合作用的結(jié)果。神經(jīng)管形成后，一部分細(xì)胞逐漸停止分裂并遷移到外側(cè)，神經(jīng)管上皮細(xì)胞則保持分裂能力。這個(gè)過(guò)程依靠FGF、RA、Wnt、Shh和BMP信號(hào)途徑的相互協(xié)調(diào)，以及神經(jīng)前體細(xì)胞依靠Delta－Notch信號(hào)而形成的旁側(cè)抑制作用。神經(jīng)管細(xì)胞的背腹分化，則主要依賴于背部的BMP信號(hào)分子濃度梯度和腹側(cè)Shh濃度梯度，而體節(jié)中胚層分泌的RA信號(hào)分子與Sh