第四版-第15章-細(xì)胞分化與胚胎發(fā)育課件

第15章細(xì)胞分化與胚胎發(fā)育第15章細(xì)胞分化與胚胎發(fā)育1MaincontentCelldifferentiationBasicconceptionCelltortipotencyStemcellThefacorsaffectingcelldifferentiationDevelopmentalcelldifferentiationMaincontentCelldifferentiati2Section1:celldifferentiation脊椎動物細(xì)胞分化示意圖Section1:celldifferentiati3一、Basicconceptionofcelldifferentiation/wikipedia/commons/3/3c/Stem_cells_diagram.pngCelldifferentiation:Theprocessofthecellfrommulticellularorganismbeabletodifferentiateintoaspecificcelltype,inaddtion,maitainsitschoicethroughmanysubsequentgenerations.在個體發(fā)育中，由一種相同的細(xì)胞類型經(jīng)由細(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)生不同細(xì)胞類群的過程稱為細(xì)胞分化。一、Basicconceptionofcelldif4（一）Celldifferentiationresultsfromgenedifferentialexpression

輸卵管

細(xì)胞成紅細(xì)胞胰島β細(xì)胞輸卵管

細(xì)胞成紅細(xì)胞胰島β細(xì)胞卵清蛋白基因探針++++--β-珠蛋白基因探針+++-+-胰島素基因探針+++--+實驗方法Southern雜交Northern雜交分子雜交技術(shù)檢測基因及其mRNA的表達(dá)（一）Celldifferentiationresult5（二）HousekeepinggeneandtissuespecificgeneHousekeepinggene(管家基因)Expressedinallcells,theirgeneproductsareessentialforcellmetabolism.ReplicatedduringtheearlySphase.RT-PCRofXRRA1andahouse-keepinggeneG3PDHfromHCT116clonestreatedwithX-radiation,variouscancerandnormalcells,andnormaltissues/organs甘油醛-3-磷酸脫氫酶（二）Housekeepinggeneandtiss6Tissuespecificgene(組織特異性基因)Differentialexpressedintissuesthuskeeptheirspecificmorphology,structureandfunction.ReplicatedduringtheearlySphaseinthecellwherethegeneisexpressed.RepliactedduringthelateSphaseinthecellwherethegeneisnotexpressed.RT-PCRofXRRA1andahouse-keepinggeneG3PDHfromHCT116clonestreatedwithX-radiation,variouscancerandnormalcells,andnormaltissues/organs（二）Housekeepinggeneandtissuespecificgene甘油醛-3-磷酸脫氫酶RT-PCRofXRRA1andahouse-ke7（三）CombinatorialgenecontrolcreatesmanydifferentcelltypesinEucaryotes

（三）Combinatorialgenecontrol8（四）ThesinglegeneregulatoryproteincantriggertheformationofanentireorganMyoDisaproteinwithakeyroleinregulatingmuscledifferentiation.MyoDbelongstoafamilyofproteinsknownasmyogenicregulatoryfactors(MRFs)sharingbHLH(basichelixloophelix)structuresastranscriptionfactors.（四）Thesinglegeneregulatory9（五）celldifferentiationalsobeemployedfortheprotozoantoadjusttheenvironmenthttp://19/Ch09/index_files/lifecycle.gifThelifecycleoftheslimemolds黏菌繁殖過程示意（五）celldifferentiationalsob10（六）TransdifferentiationTransdifferentialtion(轉(zhuǎn)分化):

一種分化類型的細(xì)胞轉(zhuǎn)變成另一種類型的分化細(xì)胞的現(xiàn)象稱為轉(zhuǎn)分化。

去分化：分化細(xì)胞失去其特有結(jié)構(gòu)與功能變成為未分化細(xì)胞細(xì)胞特征過程。再分化：未分化細(xì)胞重新特化過程。（六）TransdifferentiationTransdi11（七）Regeneration蠑螈肢體的切除再生Regeneration(再生）廣義再生涉及細(xì)胞，組織，器官以及個體水平。一般指生物體缺失部分后重建過程。

（七）Regeneration蠑螈肢體的切除再生Regen12MaincontentCelldifferentiationBasicconceptionCelltortipotencyStemcellThefacorsaffectingcelldifferentiationDevelopmentalcelldifferentiationMaincontentCelldifferentiati13二,celltotipotencyCelltotipotency:

Thecell’scapacitytoformanentireorganism.

e.g.:Humandevelopmentbeginswhenaspermfertilizesaneggandcreatesasingletotipotentcell.Inthefirsthoursafterfertilization,thiscelldividesintoidenticaltotipotentcells.Approximatelyfourdaysafterfertilizationandafterseveralcyclesofcelldivision,thesetotipotentcellsbegintospecialize.細(xì)胞經(jīng)分裂和分化后仍具有形成完整有機(jī)體的潛能或特性。二,celltotipote14PlantcelltotipotencyPlantcelltotipotency15nucleustotipotency-爪蟾核移植實驗全能性細(xì)胞核

（totipotentnucleus）終末分化細(xì)胞的細(xì)胞核仍然具有全能性Nucleartransferexperiment證明細(xì)胞核的全能性nucleustotipotency-爪蟾核移植實驗全能性16nucleustotipotency-哺乳動物體細(xì)胞核移植nucleustotipotency-哺乳動物體細(xì)胞核移17MaincontentCelldifferentiationBasicconceptionCelltortipotencyStemcellThefacorsaffectingcelldifferentiationDevelopmentalcelldifferentiationMaincontentCelldifferentiati18

三,StemcellDefiningproperties:1,notterminallydifferentiated2,dividewithoutlimit3,itstwodaughtercellswiththechoicestoberemainstemcellorbeterminaldifferentiated/?page_id=40三,Stem19CategoryofstemcellTotipotentstemcellPluripotentstemcellUnipotentstemcell/bls/stemcells/types-of-stem-cells.shtmlDifferentialpotentialCategoryofstemcellhttp://de20CategoryofstemcellTotipotentstemcell

(全能干細(xì)胞)：具分化產(chǎn)生三個胚層中的各種類型的細(xì)胞，能發(fā)育成胚盤組織，產(chǎn)生子代個體。

如哺乳動物全能干細(xì)胞：受精卵與卵裂早期細(xì)胞。CategoryofstemcellTotipoten21CategoryofstemcellTortipotentstemcellPluripotentstemcell

Unipotentstemcell/bls/stemcells/types-of-stem-cells.shtmlDifferentialpotentialCategoryofstemcellhttp://de22CategoryofstemcellPluripotentstemcell(多能干細(xì)胞)：在一定條件下，能分化產(chǎn)生3個胚層中的各種類型的細(xì)胞并形成器官的一類干細(xì)胞，如胚胎干細(xì)胞和生殖嵴干細(xì)胞。CategoryofstemcellPluripote23CategoryofstemcellTortipotentstemcell

PluripotentstemcellUnipotentstemcell/bls/stemcells/types-of-stem-cells.shtmlDifferentialpotentialCategoryofstemcellhttp://de24CategoryofstemcellUnipotentstemcell(單能干細(xì)胞)：能分化產(chǎn)生一種或幾種類型的細(xì)胞。e.g.神經(jīng)干細(xì)胞神經(jīng)元寡突膠質(zhì)細(xì)胞星形膠質(zhì)細(xì)胞CategoryofstemcellUnipotent25Sourcesdifference/bls/stemcells/types-of-stem-cells.shtmlCategoryofstemcellEmbryonicStem(ES)cell:胚胎干細(xì)胞AdultStem(AS)cell:成體干細(xì)胞Sourcesdifferencehttp://dels-26EmbryonicStemCell人胚胎干細(xì)胞建系示意EmbryonicStemCell人胚胎干細(xì)胞建系示意27人胚胎干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化EmbryonicStemCell人胚胎干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化EmbryonicStemCel28Producingstemcellsfromembryosandsomaticcellnucleartransfer.au/nova/079/079print.htmProducingstemcellsfromembr29somaticcellnucleartransferderivedstemcellsomaticcellnucleartransfer30/bls/stemcells/types-of-stem-cells.shtmlComparisonofESCandASC/bls/st31InducedPluripotentStemCell(iPS)InducedPluripotentStemCell32InducedPluripotentStemCell(iPS)/life-science/stem-cell-biology/ipsc.htmlOct4Sox2c-mycKLF4誘導(dǎo)多能干細(xì)胞：性質(zhì)類似胚胎干細(xì)胞,具多樣分化潛能。InducedPluripotentStemCell33Cellengineering生殖性克隆治療性克隆再生醫(yī)學(xué)組織工程Cellengineering生殖性克隆34MaincontentCelldifferentiationBasicconceptionCelltortipotencyStemcellThefacorsaffectingcelldifferentiationDevelopmentalcelldifferentiationMaincontentCelldifferentiati35四,thefactorsaffectingcelldifferentiation/img/Epigenomics.png四,thefactorsaffectingcell36（一）Cytoplasmnonhomogeneityfromthefertilizedeggforcelldifferentiation隱蔽mRNA決定子（determinent）果蠅卵在受精后2小時內(nèi)只進(jìn)行核分裂,胞質(zhì)不分裂，形成合胞體胚胎。隨后核向卵邊緣遷移，細(xì)胞的分化命運決定于核遷入不同的細(xì)胞質(zhì)區(qū)域。遷入卵后端生殖質(zhì)（germplasm）中的最終分化為生殖細(xì)胞。證明了果蠅卵細(xì)胞后端存在決定生殖細(xì)胞分化的細(xì)胞質(zhì)成分即生殖質(zhì)就是種質(zhì)細(xì)胞的決定子Figure22-28aMolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)（一）Cytoplasmnonhomogeneityfr37（二）extracellularsignalsforcelldifferentiation近端組織的相互作用（promixatetissueinteraction）主要通過細(xì)胞旁分泌產(chǎn)生信號分子來實現(xiàn)（二）extracellularsignalsforc38胚胎誘導(dǎo)（embryonicinduction）胚胎誘導(dǎo)（embryonicinduction）39（三）cell-cellinteractionandpositioneffect位置效應(yīng)（positioneffect）細(xì)胞所處的位置不同對細(xì)胞分化命運的影響位置信息（sonichedgehog信號）在翅膀發(fā)育中的作用（三）cell-cellinteractionand40Celldetermination:一個細(xì)胞接受了指令，在發(fā)育中這一細(xì)胞及其子代細(xì)胞將區(qū)別于其他細(xì)胞而分化成某種特定細(xì)胞類型。（四）cellmemoryanddeterminationCelldetermination:一個細(xì)胞接受了指令，41果蠅幼蟲成蟲盤：一些未分化的細(xì)胞群，在幼蟲變態(tài)過程中，不同的成蟲盤發(fā)育為成蟲不同的器官。（四）cellmemoryanddetermination果蠅幼蟲成蟲盤：一些未分化的細(xì)胞群，在幼蟲變態(tài)過程中，不同的42果蠅成蟲盤細(xì)胞決定狀態(tài)的移植實驗成蟲盤移植實驗（四）cellmemoryanddetermination果蠅成蟲盤細(xì)胞決定狀態(tài)的移植實驗成蟲盤移植實驗（四）cell43（四）cellmemoryanddetermination細(xì)胞記憶正反饋途徑（positivefeedbackloop），即細(xì)胞接受信號刺激后，激活轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，該因子不僅誘導(dǎo)自身基因表達(dá)，還誘導(dǎo)其他組織特異性基因的表達(dá)染色體結(jié)構(gòu)變化（DNA與蛋白質(zhì)相互作用及其修飾）信息傳到子代細(xì)胞（四）cellmemoryanddeterminati44（五）environmentforsexdetermination環(huán)境因素對細(xì)胞分化可產(chǎn)生影響，并進(jìn)而影響到生物個體發(fā)育通過細(xì)胞自身的遺傳機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用AnimalReproductionScience,1998,53:77–86Fig.1.Temperature-dependentsexdeterminationintheAmericanalligator(Alligatormississippiensis),thered-earedsliderturtle(Trachemysscriptaelegans),andthealligatorsnappingturtle(Macroclemystemminckii).（五）environmentforsexdetermi45（六）chromatinchangeandgenerearrangement/content/figures/ar2594-3-l.jpg細(xì)胞分化過程中，胞內(nèi)染色體會部分丟失，如紅細(xì)胞以及馬蛔蟲卵裂?；蛑嘏攀羌?xì)胞分化一種特殊方式，在B淋巴細(xì)胞中，其DNA經(jīng)歷斷裂丟失與重排進(jìn)而利用有限基因資源表達(dá)極豐富抗體。（六）chromatinchangeandgener46MaincontentCelldifferentiationBasicconceptionCelltortipotencyStemcellThefacorsaffectingcelldifferentiationDevelopmentalcelldifferentiationMaincontentCelldifferentiati47Section2：DevelopmentalcelldifferentionSection2：Developmentalcelld48一、Germcelldifferentiation

BBA-GeneRegulatoryMechanisms,2012,1819(6):616–630Germcelldifferentiation

inmice

性細(xì)胞從體細(xì)胞中分化出來，被認(rèn)為是后生動物起源的重要標(biāo)志。高度分化的精子卵子一旦結(jié)合，所有既有分化標(biāo)記會消失，成為新生命起點。一、GermcelldifferentiationB49性腺是一個極為特殊的器官大多數(shù)器官的發(fā)育進(jìn)程，其細(xì)胞分化都僅有一個方向性腺的分化卻具有兩個截然不同的方向——睪丸或卵巢性腺原基中每個細(xì)胞都具備這兩種分化潛能，要么分化為睪丸細(xì)胞，要么分化為卵巢細(xì)胞/wp-content/uploads/2011/01/UROGEN.bmp性別分化實際上是性腺細(xì)胞的分化性腺是一個極為特殊的器官http://www.devbio.50哺乳動物Y染色體攜帶男性性別決定的關(guān)鍵基因：睪丸決定因子

只有一條X染色體沒有Y染色體的人發(fā)育成女性

具有多個X染色體，同時具有Y染色體的個體發(fā)育成男性

在XX-XY嵌合體的性腺發(fā)育中，首先分化的是睪丸支持細(xì)胞，該細(xì)胞核型是XY。/?page_id=55AnXXsex-reversedmouse(33.13)withSRYgeneisphenotypicallymale哺乳動物Y染色體攜帶男性性別決定的關(guān)鍵基因：睪丸決定因子--51這個基因它被發(fā)現(xiàn)于XY男性和極少的XX男性。通過分析XX男性和XY女性的DNA,睪丸決定基因被進(jìn)一步縮小到Y(jié)染色體短臂上一個35kb堿基對的區(qū)域。Sry基因在XY小鼠性腺體細(xì)胞剛分化為sertolicell之前的體細(xì)胞中表達(dá),隨后消失。轉(zhuǎn)基因(SRY)小鼠實驗：將Sry基因14kb區(qū)域取下，顯微注射到剛受精的小鼠合子原核中(XX型)。注射過含有Sry序列的小鼠胚胎發(fā)育出睪丸、雄性的附屬器官和陰莖。

但無法形成具功能的精子。睪丸決定因子：SRY:sex-determiningregionoftheYchromosome

這個基因它被發(fā)現(xiàn)于XY男性和極少的XX男性。睪丸決定因52SRY編碼一個轉(zhuǎn)錄因子，通過調(diào)節(jié)下游基因的表達(dá)，引起前體細(xì)胞向睪丸支持細(xì)胞分化。在這個區(qū)域中發(fā)現(xiàn)一個男性特異的DNA序列，編碼223氨基酸的肽.這個肽含有一個HMG(highmobilitygroup)box的DNA結(jié)合域，它可誘導(dǎo)與它結(jié)合的DNA區(qū)域發(fā)生彎曲。Figure17.5DevelopmentalBiology(?SinauerAssociates,Inc.2010)SRY:sex-determiningregionoftheYchromosome

SRY編碼一個轉(zhuǎn)錄因子，通過調(diào)節(jié)下游基因的表達(dá)，引起前體細(xì)53原生殖細(xì)胞遷移性腺是生殖細(xì)胞發(fā)育場所。原生殖細(xì)胞（PGC）形成于胚胎發(fā)育早期，（人類第四周，小鼠受精后第7天），來自胚外中胚層的細(xì)胞首先聚集在尿囊和后腸的交界處，然后沿卵黃囊的尾部進(jìn)入后腸向背部遷移，PGC在遷移過程中快速分裂。原生殖細(xì)胞遷移性腺是生殖細(xì)胞發(fā)育場所。原生殖細(xì)胞（PGC）形54SRY與性腺細(xì)胞分化人類胚胎發(fā)育中，原生殖細(xì)胞到達(dá)生殖嵴在第六周，直到第七周，男女兩性生殖嵴及其相關(guān)附屬結(jié)構(gòu)未有任何差別。SRY于胚胎發(fā)育第41天表達(dá)，與原生殖細(xì)胞細(xì)胞到達(dá)生殖嵴一致。SRY與性腺細(xì)胞分化人類胚胎發(fā)育中，原生殖細(xì)胞到達(dá)生殖嵴在第55

Sox9：脊椎動物核心雄性決定因子

*常染色體上的睪丸決定基因，含HMGbox的轉(zhuǎn)錄因子。*Sry在胚胎中，可能僅有幾小時活性，但它的主要作用可能是激活Sox9.*人(XX)有額外拷貝的SOX9基因發(fā)育為雄性，即使沒有SRY基因存在。*在小鼠中SOX9基因僅表達(dá)于雄性生殖嵴中。同時，它與Sry都表達(dá)于同樣的生殖嵴細(xì)胞中，但其表達(dá)時間稍晚。*敲除Sox9基因在XY小鼠性腺中的表達(dá)，發(fā)生性逆轉(zhuǎn)。*Sox9轉(zhuǎn)基因XX小鼠形成精巢，缺乏精子。SRY啟動Sox9表達(dá)，開啟保守‘精巢形成途徑’Figure14.7DevelopmentalBiology(?SinauerAssociates,Inc.2010)SRY啟動Sox9表達(dá)，開啟保守‘精巢形成途徑’Figur56Sox9：脊椎動物核心雄性決定因子

Sox9基因在所有脊椎動物中表達(dá)。Sry基因似乎僅存在于哺乳動物中。Sox9才是脊椎動物中核心的雄性決定因子。

在哺乳動物中，Sry激活Sox9;

但在鳥類、兩棲類、魚類，它似乎由Dmrt1的激活。

Sox9在sertoli前體細(xì)胞中的表達(dá)可受Sry和Sf1的共同調(diào)節(jié)。

SRY啟動Sox9表達(dá)，開啟保守‘精巢形成途徑’Figure17.8DevelopmentalBiology(?SinauerAssociates,Inc.2010)Sox9：脊椎動物核心雄性決定因子SRY啟動Sox9表57

結(jié)合自己的啟動子，維持其表達(dá)。

阻止β-catenin誘導(dǎo)卵巢形成

結(jié)合許多精巢形成必須的基因上游調(diào)控元件，調(diào)節(jié)其表達(dá)。

結(jié)合AMH(anti-mullerianducthormone)的啟動子區(qū)，調(diào)節(jié)其表達(dá)Sox9激活Fgf9的表達(dá)；而Fgf9又可維持Sox9的轉(zhuǎn)錄，建立正反饋環(huán)路，驅(qū)動性腺發(fā)育。Sox9：保守的‘精巢形成途徑’的決定因子Figure17.5DevelopmentalBiology(?SinauerAssociates,Inc.2010)結(jié)合自己的啟動子，維持其表達(dá)。Sox9：保守的‘58FGF9：*FGF9敲除小鼠，突變體均為雌性。*Sox9可激活FGF9表達(dá)。FGF功能：

可引起sertolicell的前體細(xì)胞增殖、分化。

激活鄰近中腎(mesonephros)的內(nèi)皮細(xì)胞(endothelialcell)遷入XY性腺。這些細(xì)胞構(gòu)成精巢的主要動脈并誘導(dǎo)sertolicell前體形成睪丸索。Sox9持續(xù)表達(dá)依賴胞外信號分子FGF9FGF9：Sox9持續(xù)表達(dá)依賴胞外信號分子FGF959Wnt4在卵巢發(fā)育中起重要作用*

Wnt在發(fā)育過程中的各個階段都發(fā)