细胞工程3.pptx

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1、12-6-2010细胞分化细胞工程：是在细胞水平上的生物工程。所使用的技术主要是细胞培养、细胞分化的定向诱导、细胞融合和显微注射等。常金科机体结构细胞增殖 细胞分化 细胞凋亡细胞信号转导染色体（DNA与蛋白质的相互作用）衰老基因表达调控细胞分化(cell differentiation)：在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生各不相同的细胞类群的过程。几种生物的细胞数目与类型 物种 细胞数 细胞类型 团藻 102 2 海绵 103 5-10 水螅 105 10-20 涡虫 109 100 人 1014 200神经细胞 红细胞平滑肌细胞脂肪细胞

2、肠表皮细胞 横纹肌细胞骨细胞成纤维细胞分化为不同细胞类型第一节 细胞分化(Cell differentiation)一、细胞分化的基本概念基因的选择性表达 二、影响细胞分化的因素 三、细胞分化与胚胎发育Hox genes（一）细胞分化是基因选择性表达的结果 细胞分化是由于在发育过程中，细胞选择性的表达各自特有的专一性 细胞分化是由于在发育过程中，细胞选择性的表达各自特有的专一性蛋白质，而导致细胞形态、结构和功能的差异。蛋白质，而导致细胞形态、结构和功能的差异。实验证据（分子杂交）：实验证据（分子杂交）：不同的细胞类型（不同的细胞类型（cell types)cell types)中，中，DNA

3、DNA相同，相同，mRNA mRNA种类不同，蛋白 种类不同，蛋白质种类不同。质种类不同。细胞总DNA 细胞总RNA 输卵管 成红 胰岛 输卵管 成红 胰岛 卵清蛋白基因 珠蛋白基因胰岛素基因实验方法 southern 杂交 Northern 杂交（二）组织特异性基因与管家基因 管家基因(house-keeping genes)：是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的；如微管蛋白基因、糖酵解酶系基因与核糖体蛋白基因等。组织特异性基因(tissue-specific genes)，或称奢侈基因(luxury genes)：是指不同的细胞类型进行特异性表达的基因，

4、其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的功能；如卵清蛋白基因、上皮细胞的角质蛋白基因和胰岛素基因等。（二）组织特异性基因与管家基因 管家基因(house-keeping genes)：是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的；如微管蛋白基因、糖酵解酶系基因与核糖体蛋白基因等。组织特异性基因(tissue-specific genes)，或称奢侈基因(luxury genes)：是指不同的细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的功能；如卵清蛋白基因、上皮细胞的角质蛋白基因和胰岛素基因等。调节基因（regulatory

5、gene）产物用于调节组织特异性基因的表达，或者起激活或者起阻遏作用。细胞分化的实质是组织特异性基因在时间与空间上的差异表达(differential express)。这种差异表达不仅涉及到基因转录水平和转录后加工水平上的精确调控，而且还涉及染色体和DNA水平，翻译和翻译后加工与修饰水平上的复杂而严格的调控过程。（三）组合调控（combinational control）引发组织特异性基因的表达细胞分化过程是由一系列基因产物调控的。每个基因的表达都 细胞分化过程是由一系列基因产物调控的。每个基因的表达都必须：必须：在正确的细胞中；在正确的细胞中；在正确的时间；在正确的时间；对正确的信号产生正

6、确的反应；对正确的信号产生正确的反应；产生正确的表达水平。产生正确的表达水平。问题：细胞是如何协调（问题：细胞是如何协调（coordinate coordinate）这一过程？）这一过程？组合调控（combinational control）概念：有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化的调控机制。即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同调节完成的。主导基因（master gene）：在启动细胞分化的各类调节蛋白中，往往存在一两种起决定作用的调控蛋白，编码这种蛋白的基因称为主导基因。借助于组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与其它调控蛋白形成适当的调控蛋白组合，不仅可以将一种类型的细

7、胞转化成另一种类型的细胞，而且遵循类似的机制，甚至可以诱发整个器官的形成。（四）单细胞有机体的细胞分化 Receptor factoradifferential expression适应环境因素（五）转分化与再生转分化（转分化（trans-differentiation trans-differentiation）：一）：一种类型的分化细胞转变成另一种类型 种类型的分化细胞转变成另一种类型的分化细胞的现象称为转分化。转分 的分化细胞的现象称为转分化。转分化往往经历去分化 化往往经历去分化(dedifferentiation)(dedifferentiation)和再分化 和再分化(rediff

8、erentiation)(redifferentiation)的过程 的过程去分化（去分化（dedifferentiation dedifferentiation）：分化细胞）：分化细胞失去其特有的结构与功能变成具有未 失去其特有的结构与功能变成具有未分化特征的细胞的过程：分化特征的细胞的过程：高等动物的克隆 高等动物的克隆去分化细胞的细胞核必须在卵细胞质 去分化细胞的细胞核必须在卵细胞质中才能完成其去分化的过程。中才能完成其去分化的过程。转分化（转分化（trans-differentiation trans-differentiation）与去分化（）与去分化（dedifferentiati

9、on dedifferentiation）分化程度低的 CNS stem cell再生（regeneration）：再生是指生物体缺失一部分后发生重建的过程。广义的再生可包括分子水平、细胞水平、组织与器官水平及整体水平的再生。蟾蜍肢体切除后，伤口处部分细胞凋亡，多数细胞(包括皮肤、肌肉、软骨和其他结缔组织的细胞)经去分化形成间充质或纤维细胞样的细胞团再生芽基(regeneration blastema)，芽基细胞再分化形成以有序方式排列的从肱骨直至指骨的完整肢体，这一过程显然由同源异型基因的表达模式所调控。二、影响细胞分化的因素 通过组合调控的方式启动组织特异性基因的表达是细胞分化的基本机制，

10、因此有必要从细胞的基因组入手了解与分析影响细胞分化的因素。（二）影响细胞分化的因素 细胞中组织特异性基因的选择性表达主要由调控蛋白所启动，调控蛋白的组合是影响细胞分化的主要的直接因素（内因）。1.胞外信号分子对细胞分化的影响 2.细胞记忆与决定 3.受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响 4.细胞间的相互作用与位置效应 5.环境对性别决定的影响 6.染色质变化与基因重排对细胞分化的影响 1.1.胞外信号分子对细胞分化的影响 胞外信号分子对细胞分化的影响 近端因子：细胞接触；旁分泌；自分泌；缝隙连接 近端因子：细胞接触；旁分泌；自分泌；缝隙连接 远端因子：内分泌（激素）远端因子：内分泌（激素）A

11、 gap junction A gap junction 环境 环境 胞外信号 胞外信号2.细胞记忆与决定 信号分子的有效作用时间是短暂的，然而细胞可以将这种短暂的作用储存起来并形成长时间的记忆，逐渐向特定方向分化。果蝇的成虫盘(imaginal disc)是一些初级分化的细胞群，而在幼虫变态过程中，不同的成虫盘发育为成虫不同的器官，如腿、翅和触角等。人们曾把果蝇的变态前幼虫的成虫盘细胞植入成虫体内，连续移植9年，细胞增殖多达1800代，然后将这种成虫盘细胞再移植回幼虫体内则依然没有失去记亿，照例发育成为相应的器官。细胞记忆保证细胞决定的稳定性和遗传性。成虫盘(imaginal disc)幼虫

12、成虫盘 变态部分成虫盘移入另一幼虫体内成虫盘分化为成虫体内的相应器官从相应的成虫盘发育成相应的成体结构取出成虫盘细胞植入幼虫体内成虫盘细胞在成虫体内增殖，可被多次移植部分成虫盘移入成虫腹腔 成虫盘细胞决定状态的移植实验决定：determination细胞记忆的机制：正反馈途径染色质结构变化信息遗传到子代3.受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响 在卵母细胞的细胞质中除了储存有营养物质和多种蛋白外，还含有多种mRNA，其中多数mRNA与蛋白质结合处于非活性状态，称为隐蔽mRNA，不能被核糖体识别。然而它们在卵细胞质中呈不均匀地分布，在受精后卵细胞质重新定位，少数母体mRNA被激活，合成早期胚胎发

13、育所需要的蛋白质。随着受精卵早期细胞分裂，隐蔽mRNA不均一地分配到子细胞中。受精卵的细胞质不 受精卵的细胞质不均一性和不均等卵裂 均一性和不均等卵裂 细胞增殖过程中产 细胞增殖过程中产生不均等细胞的方式 生不均等细胞的方式4.细胞间的相互作用与位置效应 在胚胎学研究中，人们已注意到细胞间的相互作用对细胞分化与器官构建的影响，并称这种作用为胚胎诱导(embryonic induction)。胚胎诱导作用不断强化并可分成不同的层次，虽然对胚胎诱导作用的机制还不清楚，但包括旁泌素等信号分子的作用显然是其重要原因之一。细胞所处的位置不同对细胞分化的命运也有明显的影响。实验证明，改变细胞所处的位置可导

14、致细胞分化方向的改变，这种现象称位置效应(position effect)。“位置信息”是产生效应的主要原因。5.环境对性别决定的影响 蜥蜴类的它们在较低温度条件下(24)全部发育为雌性，而温度提高(32)则全部发育为雄性。龟类在较低温度条件下全部发育为雄性，而温度提高则全部发育为雌性。另外，有一种蜗牛类的软体动物的性别决定取决于个体间的相互位置关系，在它们形成的上下相互叠压的群体中，位于下方的个体发育为雌性，而位于上方的个体发育为雄性。总的来说，个体发育中的细胞分化的基础是建立在细胞的内部，而环境因素只是条件。6.染色质变化与基因重排对细胞分化的影响原生动物纤毛虫类(如草履虫、四膜虫)的细胞

15、内存在二个细胞核，小核称为生殖核，包含完整的基因组；大核称为营养核，丢失10%90%的DNA，剩余的DNA经重排与扩增后形成多倍体，其基因活跃地转录并决定一切表型特征。大核是在有性生殖过程中，由小核发育而来，细胞虽未分化但细胞核“分化”成二种不同的类型。基因重排是细胞分化的另一种特殊方式。抗体是由浆细胞分泌的，而浆细胞是由B淋巴细胞分化而来。在这一过程中，B淋巴细胞中的DNA经过断裂丢失与重排的复杂变化从而利用有限的免疫球蛋白基因，在理论上可表达出数百亿种抗体。7、（补充）数量效应：细胞数量对诱导组织形成是必要的 如小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功能的胰腺组织，但如果把胰原

16、基切成8小块分别培养，则都不能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织 细胞分子生物学相关领域的诺贝尔奖（19582009）o 1958M&P基因决定蛋白质o M&P遗传重组o Chemistry蛋白质一级结构o 1959M&PDNA与RNA的合成o 1960M&P抗体形成过程中克隆选择理论o 1961Chemistry光合作用中CO2同化作用的生化机制o 1962M&PDNA的三维结构o 1963M&P神经膜电位的离子作用机制o 1964Chemistry有机复合物分子的结构o 1965M&P细菌操纵子及其信使RNAo 1966M&P致癌病毒o M&P前列腺癌的激素治疗o 1

17、968M&P遗传密码o tRNA的结构o 1969M&P病毒的遗传结构o 1970M&P神经冲动的扩大及传递Chemistry糖核苷在糖类合成中的作用o 1971M&P激素作用机制及其与cAMP的关系o 1972M&P免疫球蛋白结构o Chemistry蛋白质一级结构与四级结构o 1974M&P细胞内部组分的结构与功能o 1975M&P反转录酶与反转录病毒的活性o 1976M&P蛋白粒子类疾病o 1978M&P限制性内切酶技术o Chemistry氧化磷酸化的化学渗透学说o 1980Chemistry核酸蛋白复合物的结构o Chemistry重组DNA技术o DNA测序技术o M&P主要组织相

18、容性复合物o 1982Chemistry核酸蛋白复合物的结构o 1983M&P基因组中的可动遗传因子o 1984M&P单克隆抗体o 抗体形成o 1985M&P胆固醇代谢调节与胞吞作用的关系o 1986M&P神经生长因子o 1987M&P基因重排导致抗体的多样性o 1988Chemistry细菌广河租用反应中心o 1989M&P导致恶性转变的胞内基因o Chemistry具有催化能力的RNAo 1991M&P膜片夹测定膜离子流量o 1992M&P磷酸化与去磷酸化对酶活性的影响o 1993Chemistry多聚酶链反应（PCR）点突变（SDM）M&P断裂基因和RNA合成o 1994M&PG蛋白的结

19、构与功能o 1995M&P胚胎发育的基因调控o 1996M&P免疫系统对病毒感染细胞的识别o 1997M&P发现阮病毒o ChemistryNa+-K+ATPaseo ATP合成机制o 1998M&PNO是体内重要的信号分子o 1999M&P蛋白质固有的信号调控及其在细胞内的转移与定位o 2000M&P神经系统的信号转导o 2001M&P发现细胞周期的关键调控因子o 2002Chemistry质谱法测定生物大分子o 核磁共振法测定生物大分子在溶液中的结构o M&P器官发育的遗传基础和细胞的程序化死亡o 2003Chemistry发现水通道o 离子通道的结构和功能o 2004M&P发现气味分子受体和嗅觉系统的组成o Chemistry发现泛素介导的蛋白质降解途径o 2005M&P发现幽门螺杆菌及其在胃肠道疾病中的作用o 2006Chemistry真核生物转录的分子基础o M&PRNA干扰双螺旋RNA能够沉默基因表达o 2007M&P基因靶向技术o 2008Chemistry绿色荧光蛋白o M&P艾滋病毒人乳头状瘤病毒致宫颈癌o 2009M&P染色体端粒酶o Chemistry核糖体的机构和功能谢谢！