細(xì)胞分化干細(xì)胞細(xì)胞生物學(xué)課件

細(xì)胞分化與干細(xì)胞Humancells：Number：1014cells,>200celltypes細(xì)胞分化Question1：受精卵是如何發(fā)育成一個(gè)人的？受精卵是如何發(fā)育成具有不同功能的組織器官的？增殖增殖如果只有細(xì)胞增殖，沒有細(xì)胞分化，就只能形成一細(xì)胞團(tuán)，而不能形成人體。在個(gè)體發(fā)育過程中，后代細(xì)胞間在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能上發(fā)生穩(wěn)定性差異的過程。細(xì)胞分化是多細(xì)胞有機(jī)體發(fā)育的根底與核心。組織、器官、系統(tǒng)個(gè)體細(xì)胞分化(celldifferentiation)（一）細(xì)胞分化表現(xiàn)為細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)定性差異。----穩(wěn)定，與功能相適應(yīng)一、細(xì)胞分化的基本特征骨骼肌細(xì)胞紅細(xì)胞神經(jīng)細(xì)胞細(xì)胞決定(celldetermination)細(xì)胞決定是指細(xì)胞在發(fā)生可識別的形態(tài)變化之前,就已受到約束而確定了分化方向,這時(shí)細(xì)胞內(nèi)部已發(fā)生了穩(wěn)定的變化,基因活動模式已經(jīng)開始改變，確定了未來的發(fā)育命運(yùn)。（二）細(xì)胞分化的時(shí)空性。*遺傳穩(wěn)定性：果蠅成蟲盤細(xì)胞的移植實(shí)驗(yàn)

*決定制約著細(xì)胞分化的方向果蠅成蟲盤細(xì)胞的移植實(shí)驗(yàn)

細(xì)胞決定實(shí)驗(yàn)示意圖細(xì)胞分化的有序性單細(xì)胞生物：時(shí)間性多細(xì)胞生物：時(shí)間性＋空間性（三）細(xì)胞分化的可逆性——去分化與轉(zhuǎn)分化去分化(dedifferentiation)在特定條件的誘導(dǎo)下，高度分化的細(xì)胞可以失去特有的結(jié)構(gòu)和功能，變?yōu)榫哂形捶只?xì)胞的特性。這種現(xiàn)象叫做去分化。正常分化的細(xì)胞癌細(xì)胞射線、藥物、毒物...轉(zhuǎn)分化(transdifferentiation)從一種特化細(xì)胞類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類型的分化細(xì)胞的現(xiàn)象。培養(yǎng)基中缺乏維生素A培養(yǎng)基中富含維生素A人皮膚基底層細(xì)胞角化細(xì)胞粘膜上皮細(xì)胞或具有纖毛的上皮細(xì)胞（四）個(gè)體發(fā)育中細(xì)胞分化的潛能性1、細(xì)胞發(fā)育潛能在發(fā)育過程中逐漸變窄

桑葚胚囊胚原腸胚單個(gè)細(xì)胞在一定條件下具有分化發(fā)育成完整個(gè)體的能力。全能細(xì)胞〔totipotentcell)多能細(xì)胞〔pluripotentcell)分化潛能受限，失去發(fā)育成完整個(gè)體的能力，但仍具有發(fā)育成多種表型的能力。

隨著細(xì)胞分化，細(xì)胞的分化潛能進(jìn)一步受到限制，只有分化形成某一類型細(xì)胞的能力。穩(wěn)定型單能(unipotency)因此，就其分化潛能來講，動物細(xì)胞的全能性隨著細(xì)胞分化程度提高，而逐漸“變窄”，此為細(xì)胞分化的普遍規(guī)律。外胚層中胚層內(nèi)胚層生殖細(xì)胞全能細(xì)胞多能細(xì)胞單能細(xì)胞2、細(xì)胞生理狀態(tài)隨分化水平而變化細(xì)胞的分裂能力細(xì)胞對環(huán)境因子的反響性高度分化的植物細(xì)胞仍具有全能性，在適宜的條件下可培育成正常的植株。證據(jù)一：3、分化細(xì)胞細(xì)胞核的全能性證據(jù)二：動物細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)爪蟾核移植實(shí)驗(yàn)哺乳動物核移植實(shí)驗(yàn)—“多莉〞〔Dolly〕羊的誕生紅細(xì)胞和肌細(xì)胞等體細(xì)胞的遺傳信息相同嗎？紅細(xì)胞血紅蛋白基因開啟合成血紅蛋白肌細(xì)胞肌動蛋白基因開啟合成肌動蛋白細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)是細(xì)胞按照一定程序發(fā)生的差異基因表達(dá)二、細(xì)胞分化的調(diào)控

不同類型的細(xì)胞在發(fā)育過程中表達(dá)一套特異的基因，其產(chǎn)物不僅決定細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)，而且執(zhí)行各自的生理功能。細(xì)胞總DNA細(xì)胞總RNA輸卵管細(xì)胞成紅細(xì)胞胰島細(xì)胞輸卵管細(xì)胞成紅細(xì)胞胰島細(xì)胞卵清蛋白基因++++--β-珠蛋白基因+++-+-胰島素基因+++--+實(shí)驗(yàn)方法Southern雜交Northern雜交又稱組織特異性基因(tissue-specificgenes)指不同的細(xì)胞類型進(jìn)行特異性表達(dá)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；如紅細(xì)胞的血紅蛋白基因，皮膚的角蛋白基因。管家基因(house-keepinggene)：是指所有細(xì)胞中均要表達(dá)的一類基因，其產(chǎn)物是對維持細(xì)胞根本生命活動所必需的；如核糖體蛋白，線粒體蛋白，膜蛋白、組蛋白。（一）細(xì)胞分化與差異基因表達(dá)

細(xì)胞分化的基因表達(dá)調(diào)控可以發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、翻譯以及蛋白質(zhì)形成后活性修飾等不同水平，其中轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控最為重要。--順式作用元件〔包括啟動子、增強(qiáng)子、沉默子〕，促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄活性，調(diào)節(jié)基因的組織專一性表達(dá)。--反式作用因子〔又叫轉(zhuǎn)錄因子或調(diào)節(jié)蛋白〕，結(jié)合特異的順式作用元件而激活基因的轉(zhuǎn)錄。--包括轉(zhuǎn)錄激活和轉(zhuǎn)錄抑制兩方面。--DNA甲基化--組蛋白的共價(jià)修飾（二）差別基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控DNA甲基化修飾主要與基因抑制有關(guān)

基因活化蛋白引導(dǎo)的染色質(zhì)局部結(jié)構(gòu)改變●轉(zhuǎn)錄后的加工調(diào)節(jié)●非編碼RNA在細(xì)胞分化中的作用●基因重排和基因調(diào)控

在卵裂期間，不同的細(xì)胞質(zhì)組分被分配到不同類型的細(xì)胞內(nèi)，這些特殊的組分被稱為形態(tài)發(fā)生的決定子，它們支配細(xì)胞分化的途徑。（一）細(xì)胞核對細(xì)胞分化的影響（二）細(xì)胞質(zhì)對細(xì)胞分化的影響?細(xì)胞核內(nèi)基因選擇性表達(dá)三、細(xì)胞分化的影響因素（三）細(xì)胞相互作用對分化的影響在細(xì)胞生物中，細(xì)胞間相互作用對細(xì)胞分化有較大影響。1.細(xì)胞誘導(dǎo)（induction）神經(jīng)板前腦-視杯神經(jīng)管晶狀體

角膜2.細(xì)胞抑制3.細(xì)胞粘附分子對細(xì)胞分化的作用細(xì)胞粘合是由于同類細(xì)胞可以通過外表細(xì)胞粘附因子，進(jìn)行相互識別、黏著、聚集并相互作用，這有利于形態(tài)發(fā)生以及正常結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和維持。2.遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)激素是遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)細(xì)胞分化的信息分子。特點(diǎn)：靶細(xì)胞的特異性；激素作用的高效性；如：蝌蚪變態(tài)過程中，尾部退化及前肢形成是由于甲狀腺分泌的甲狀腺素和三碘甲狀腺氨基酸的分泌增加所致。如：卵巢產(chǎn)生雌激素，促進(jìn)雌性第二性征的發(fā)育分化。（四）信號分子對分化的影響（五）環(huán)境因素對分化的影響1.相鄰細(xì)胞通過細(xì)胞旁分泌產(chǎn)生的信號分子來實(shí)現(xiàn)的。如，成纖維細(xì)胞生長因子，轉(zhuǎn)化生長因子，Wnt家族等。四、細(xì)胞分化與腫瘤腫瘤細(xì)胞經(jīng)誘導(dǎo)分化后可以“改邪歸正〞在個(gè)體成熟之后，機(jī)體的組織仍然保持著一種特有的自穩(wěn)性。即在特定組織中細(xì)胞的死亡和細(xì)胞的增生的速度會維持著一個(gè)動態(tài)平衡。各種組織還保持著程度不同的損傷后再生的能力，如兩棲類動物、哺乳動物的造血系統(tǒng)，小腸，毛發(fā)及皮膚等。干細(xì)胞是一類具有自我更新和多向分化潛能的細(xì)胞，它存在于人體或者動物個(gè)體發(fā)育各個(gè)階段的組織器官中，是各種分化細(xì)胞或特化細(xì)胞的初始來源。干細(xì)胞按來源分類干細(xì)胞是指存在于早期胚胎、骨髓、臍帶、胎盤和成年人部分組織或器官中的尚未分化的細(xì)胞，它能夠發(fā)育成肌肉、血液、肝臟、骨骼和神經(jīng)等多種人體組織和器官。

胚胎干細(xì)胞成體干細(xì)胞按分化潛能分類

多能干細(xì)胞

全能干細(xì)胞

專能干細(xì)胞

一、干細(xì)胞的分類全能干細(xì)胞多能干細(xì)胞專能干細(xì)胞干細(xì)胞是具有強(qiáng)大增殖潛能的原始細(xì)胞。細(xì)胞通常呈圓形或橢圓形，體積較小。核質(zhì)比相對較大。細(xì)胞中各種細(xì)胞器不夠興旺等。有比較高的端粒酶活性。二、干細(xì)胞的形態(tài)和生化特點(diǎn)不同的干細(xì)胞具有各異的生化標(biāo)志，對于確定干細(xì)胞的位置，尋找和別離干細(xì)胞有重要意義。如：角蛋白15是確定毛囊中表皮干細(xì)胞的標(biāo)志分子，巢素蛋白是神經(jīng)干細(xì)胞的標(biāo)志分子。本質(zhì)特點(diǎn)：具有增殖和自我更新能力，在適當(dāng)條件下表現(xiàn)出分化潛能。對稱分裂：干細(xì)胞分裂產(chǎn)生的兩個(gè)子細(xì)胞都是干細(xì)胞〔增殖，自我更新〕或都是分化細(xì)胞〔分化〕。不對稱分裂：干細(xì)胞分裂產(chǎn)生一個(gè)子代干細(xì)胞〔自我更新〕和一個(gè)子代分化細(xì)胞〔分化〕。A：干細(xì)胞的不對稱分裂

(asymmetrydivision)

B：干細(xì)胞群體的不對稱分裂(populationalasymmetrydivision)干細(xì)胞的增殖分化和自我更新方式：1.干細(xì)胞增殖的緩慢性干細(xì)胞進(jìn)入分化程序前，要經(jīng)過一個(gè)短暫增殖期，產(chǎn)生過渡放大細(xì)胞。過渡放大細(xì)胞是界于干細(xì)胞和分化細(xì)胞之間的過渡細(xì)胞，經(jīng)假設(shè)干次分裂后產(chǎn)生分化細(xì)胞，其作用是可以通過較少的干細(xì)胞產(chǎn)生較多的分化細(xì)胞。

干細(xì)胞過渡放大細(xì)胞分化細(xì)胞

(transitamplifyingcell)

緩慢增殖的生理意義可減少基因發(fā)生突變的危險(xiǎn)；有利于干細(xì)胞對環(huán)境信號作出反響。三、干細(xì)胞的增殖特征2.干細(xì)胞增殖系統(tǒng)的自穩(wěn)定性自穩(wěn)定性是指干細(xì)胞可以在生物個(gè)體生命區(qū)間中自我更新并維持其自身數(shù)目的恒定。四、干細(xì)胞的分化特征分泌因子：許多分泌因子對干細(xì)胞的生存、增殖和分化具有重要調(diào)控作用。受體介導(dǎo)的細(xì)胞間相互作用整合素和胞間基質(zhì)干細(xì)胞的增殖分化是受到嚴(yán)密調(diào)控的。五、干細(xì)胞增殖與分化的分子調(diào)控2.它在組織器官中所處是微環(huán)境。這種微環(huán)境稱為干細(xì)胞巢。內(nèi)源因素。

OCT4、Nanog、Sox2以及端粒酶。EG細(xì)胞〔embryonicgermcell〕：來源于早期胎兒生殖嵴部位原始生殖干細(xì)胞EC細(xì)胞〔embryoniccarcinoma〕：來源于畸胎瘤胚胎干細(xì)胞分類1.移植治療：很多疾病或病癥〔如帕金森病、糖尿病創(chuàng)傷性脊髓損傷等〕都可以通過移植人的分化的ES細(xì)胞得到治愈。2.其它應(yīng)用潛能：可用于研究目前無法解釋的人類早期發(fā)育引起的先天性缺陷和胎盤異動導(dǎo)致的自然流產(chǎn)；可用于毒性篩選；能用于共同治療互補(bǔ)。人胚胎干細(xì)胞的應(yīng)用潛能精原干細(xì)胞精原干細(xì)胞(spermatogonialstemcells,SSCs)是雄性生殖系干細(xì)胞，位于睪丸曲細(xì)精管基膜上，既具有自我更新潛能，又具有定向分化潛能，是自然狀態(tài)下出生后動物體內(nèi)在整個(gè)生命期間進(jìn)行自我更新并能將基因傳遞至子代的唯一成體干細(xì)胞。成體干細(xì)胞在成體組織器官中，許多細(xì)胞仍具有自我更新及分化產(chǎn)生不同組織細(xì)胞的能力。成體干細(xì)胞是在成體組織內(nèi)具有自我更新能力及能分化產(chǎn)生一種或一種以上子代組織細(xì)胞的未成熟細(xì)胞。幾種成體干細(xì)胞是骨髓中一種能起著造血功能的細(xì)胞。人血中的紅細(xì)胞、血小板、淋巴細(xì)胞、粒細(xì)胞等,都是由它經(jīng)過屢次分化發(fā)育而成的。利用造血干細(xì)胞移植治療的疾病很多。如腫瘤性疾?。喊籽?；以及非腫瘤性疾?。涸偕系K性貧血，重癥免疫缺陷病，急性放射病，地中海貧血等。造血干細(xì)胞神經(jīng)干細(xì)胞(neuralstemcells，NSCs)

其存在推翻了神經(jīng)元無法再生的傳統(tǒng)觀點(diǎn)

神經(jīng)干細(xì)胞是神經(jīng)系統(tǒng)中能夠增殖分化成神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的特定原始神經(jīng)細(xì)胞。目前已在哺乳動物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)多個(gè)部位發(fā)現(xiàn)并別離出神經(jīng)干細(xì)胞。對治療帕金森氏病、Huntington病、腦、脊髓損傷等,神經(jīng)系統(tǒng)疾病到來了希望。

具有分化為間質(zhì)細(xì)胞的潛能，可以分化為多種間充質(zhì)組織，如骨、關(guān)節(jié)、脂肪、肌肉、骨髓基質(zhì)。在體外容易