细胞分化翟中和细胞生物学全套 .ppt
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1、第十四章第十四章 细胞分化细胞分化CELL DIFFERENTIATIONn n不同生物具有不同的发育模式,但都涉及:不同生物具有不同的发育模式,但都涉及:n n细胞增殖细胞增殖n n细胞分化细胞分化n n细胞间的相互作用。细胞间的相互作用。n n细胞分化(细胞分化(differentiationdifferentiation)是指细胞后代在形态、)是指细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。结构和功能上发生差异的过程。第一节第一节 细胞分化的特点细胞分化的特点一、细胞的分化潜能一、细胞的分化潜能n n细胞分化能力的强弱称为分化潜能。细胞分化能力的强弱称为分化潜能。n n动物受精卵的分化潜
2、能称为全能性。动物受精卵的分化潜能称为全能性。n n干细胞:有分化潜能的动物细胞。分为:全能干干细胞:有分化潜能的动物细胞。分为:全能干细胞、多能干细胞、单能干细胞。细胞、多能干细胞、单能干细胞。n n单能干细胞只能分化为一种类型的细胞,也称为单能干细胞只能分化为一种类型的细胞,也称为祖细胞,自我更新能力有限。祖细胞,自我更新能力有限。Fertilized ovum has totipotencyWell differentiated plant cells keep their totipotencyn nStrachan T,Read A 2003n n干细胞的特征:干细胞的特征:n n终
3、生保持未分化或低分化特征;终生保持未分化或低分化特征;n n在机体的中的数目、位置相对恒定;在机体的中的数目、位置相对恒定;n n具有自我更新能力;具有自我更新能力;n n能无限制的分裂增殖;能无限制的分裂增殖;n n具有多向分化潜能;具有多向分化潜能;n n分裂的慢周期性,绝大多数处于分裂的慢周期性,绝大多数处于G0G0期;期;n n可行不对称分裂。可行不对称分裂。n n根据个体发育过程中出现的次序,干细胞又可分根据个体发育过程中出现的次序,干细胞又可分为胚胎干细胞和成体干细胞。为胚胎干细胞和成体干细胞。n n胚胎干细胞(胚胎干细胞(ESCESC)是从胚胎内细胞团或原始生)是从胚胎内细胞团或
4、原始生殖细胞筛选分离出的具有多能性或全能性的细胞。殖细胞筛选分离出的具有多能性或全能性的细胞。n nESCESC的用途主要有:的用途主要有:动物克隆;动物克隆;动物转基因;动物转基因;组织工程。组织工程。二、细胞分化的特点二、细胞分化的特点n n1.1.时空性时空性n n细胞分化的实质是在细胞质(信号系统)和细胞细胞分化的实质是在细胞质(信号系统)和细胞核(基因组)共同作用下,选择性地表达特定的核(基因组)共同作用下,选择性地表达特定的基因,称为差别基因表达。基因,称为差别基因表达。n n已分化细胞的胞质已分化细胞的胞质RNARNA与核与核DNADNA杂交率低于杂交率低于1010。n n细胞表
5、达的基因分为:管家基因、组织特异性基细胞表达的基因分为:管家基因、组织特异性基因或奢侈基因。因或奢侈基因。n n高度分化的动物细胞也具有完整的基因组。高度分化的动物细胞也具有完整的基因组。n n证明方法:原位杂交、核移植。证明方法:原位杂交、核移植。n nBriggsBriggs和和KingKing(19521952,19601960),豹蛙(),豹蛙(Rana pipiensRana pipiens)核移植。核移植。n nGurdonGurdon等(等(19751975),成蛙蹼上皮细胞核移植。),成蛙蹼上皮细胞核移植。n n童第周等童第周等2020世纪世纪6060年代,鱼类核移植。年代,鱼
6、类核移植。n nIan WilmutIan Wilmut(19971997)克隆)克隆Do11y sheeepDo11y sheeep。n n2.2.定向性定向性定向性定向性n n随着细胞的分裂和分化,发育方向逐渐被限定,随着细胞的分裂和分化,发育方向逐渐被限定,称为决定(称为决定(determinationdetermination)。)。n n决定意味着基因活动模式改变。决定意味着基因活动模式改变。n n例:哺乳动物桑椹胚的内细胞团和外围细胞,前者形例:哺乳动物桑椹胚的内细胞团和外围细胞,前者形成胚胎、后者形成滋养层。成胚胎、后者形成滋养层。n n无脊椎动物早期的卵裂球已经决定,每个卵裂球
7、无脊椎动物早期的卵裂球已经决定,每个卵裂球只能形成身体的一部分。只能形成身体的一部分。n n3.3.稳定性稳定性稳定性稳定性n n动物细胞发生分化之后,其遗传表型保持稳定,动物细胞发生分化之后,其遗传表型保持稳定,通常是不可逆的。通常是不可逆的。n n例:果蝇幼虫的成虫盘移植到成虫体内不发生细例:果蝇幼虫的成虫盘移植到成虫体内不发生细胞分化,可继续增殖或移植。如将其再移植回变胞分化,可继续增殖或移植。如将其再移植回变态期幼虫体内则又能按原来已决定的命运分化。态期幼虫体内则又能按原来已决定的命运分化。n n4.4.条件可逆性条件可逆性条件可逆性条件可逆性n n在特定条件下,分化细胞的基因活动模式
8、可发生在特定条件下,分化细胞的基因活动模式可发生可逆的变化,又回到未分化状态,称为去分化。可逆的变化,又回到未分化状态,称为去分化。n n例例1 1:植物愈伤组织。:植物愈伤组织。n n例例2 2:果蝇触角成虫盘经多次移植后,部分成虫果蝇触角成虫盘经多次移植后,部分成虫盘可分化为成体的腿、翅或口器,这种现象称为盘可分化为成体的腿、翅或口器,这种现象称为转决定。转决定。n n5.5.普遍性普遍性n n个体一生中都进行着细胞分化。干细胞是细胞更个体一生中都进行着细胞分化。干细胞是细胞更新和组织修复的基础。新和组织修复的基础。n n一种组织的成体干细胞倾向于分化成该组织的各一种组织的成体干细胞倾向于
9、分化成该组织的各种细胞,但特定条件下,可分化成其它组织的功种细胞,但特定条件下,可分化成其它组织的功能细胞,称为转分化或横向分化。能细胞,称为转分化或横向分化。n n高度分化的细胞不再分裂,对电离辐射敏感性低,高度分化的细胞不再分裂,对电离辐射敏感性低,而各种干细胞则不然。而各种干细胞则不然。三、细胞分化和增殖的关系三、细胞分化和增殖的关系n n增殖信号和分化信号同时作用于干细胞,表现为增殖信号和分化信号同时作用于干细胞,表现为边分化边增殖(反之亦然);边分化边增殖(反之亦然);n n增殖和分化分别独立进行,一些干细胞只增殖不增殖和分化分别独立进行,一些干细胞只增殖不分化,另一些同类干细胞进入
10、终末分化;分化,另一些同类干细胞进入终末分化;n n细胞分化与分裂平行进行,干细胞进行不对称分细胞分化与分裂平行进行,干细胞进行不对称分裂,产生的子细胞一个保持原有干细胞特性,一裂,产生的子细胞一个保持原有干细胞特性,一个则进入终末分化。个则进入终末分化。第二节第二节 细胞分化的主要机制细胞分化的主要机制n nautonomous mechanismautonomous mechanism:胚胎发育的早期细胞分裂:胚胎发育的早期细胞分裂由受精卵中的细胞质控制,不涉及细胞通信。由受精卵中的细胞质控制,不涉及细胞通信。n ninductive mechanisminductive mechanis
11、m:随着胚胎发育的进行细胞之:随着胚胎发育的进行细胞之间主要通过信号系统协调分裂、分化和细胞的行间主要通过信号系统协调分裂、分化和细胞的行为,称为。为,称为。n n细胞的分化命运主要取决于:细胞的内部特性,细胞的分化命运主要取决于:细胞的内部特性,外部环境。外部环境。卵细胞具有极性,细胞核靠近北极。卵细胞中贮存有大量mRNA,是母源基因的产物,维持卵细胞和早期胚胎代谢;呈非均匀分布,决定胚胎发育的图式(pattern)。合子基因在卵裂后期才发挥作用。一、细胞分裂的不对称性一、细胞分裂的不对称性 用用放放线线菌菌素素D D处处理理海海胆胆受受精精卵卵,胚胚胎胎发发育育能能进进行行至囊胚期;嘌呤霉
12、素处理,受精卵停止发育。至囊胚期;嘌呤霉素处理,受精卵停止发育。果果蝇蝇母母源源基基因因在在滋滋养养细细胞胞中中转转录录后后,输输入入卵卵细细胞胞,沿沿微微管管转转运运到到特特定定部部位位。基基因因产产物物沿沿卵卵的的前前后后和和背背腹腹轴轴形形成成浓浓度度梯梯度度,决决定定胚胚胎胎形形态态,称称为为成成形形素(素(morphogenmorphogen)。)。卵裂后的细胞质特性决定了子细胞的分化命运。卵裂后的细胞质特性决定了子细胞的分化命运。二、诱导机制二、诱导机制n n诱导(诱导(inductioninduction)是一部分细胞诱导其它细胞向特)是一部分细胞诱导其它细胞向特定方向分化的现象
13、,也叫胚胎诱导。定方向分化的现象,也叫胚胎诱导。n n对其它细胞起诱导作用的细胞称诱导者对其它细胞起诱导作用的细胞称诱导者(inductor)(inductor),如脊索可诱导其顶部的外胚层发育成神经板,如脊索可诱导其顶部的外胚层发育成神经板,神经沟和神经管。神经沟和神经管。n n响应诱导信号的同类细胞叫做形态发生场。响应诱导信号的同类细胞叫做形态发生场。三、分化抑制三、分化抑制n n分化成熟的细胞可以产生分化成熟的细胞可以产生“抑素抑素”,抑制相邻细胞,抑制相邻细胞发生同样的分化。如含有成蛙心组织的培养液培发生同样的分化。如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚,则蛙胚不能发育出正常的心脏。养蛙胚,
14、则蛙胚不能发育出正常的心脏。n n“抑素抑素”是是TGF-TGF-家族的成员。如家族的成员。如 myostatinmyostatin是肌肉是肌肉生长的负调控因子,生长的负调控因子,GDF11GDF11(WuWu等等20032003)通过上)通过上调细胞周期抑制因子调细胞周期抑制因子p27p27抑制神经组织生长。抑制神经组织生长。Mouse myostatin mutant(right)Double-muscled mouseFunction of the myostainThe so called chalone is the protein belonging to TGF-family,s
15、uch as myostain四、细胞数量效应四、细胞数量效应n n例例1.1.小鼠胚胎胰腺原基在体外培养,可发育成胰小鼠胚胎胰腺原基在体外培养,可发育成胰腺组织,如切成腺组织,如切成8 8小块分别培养,则不能。再把分小块分别培养,则不能。再把分开的小块合起来,又可形成胰腺组织。开的小块合起来,又可形成胰腺组织。n n例例2.Fisher2.Fisher(19671967)将大量肿瘤细胞注射到小鼠肝)将大量肿瘤细胞注射到小鼠肝脏门静脉,小鼠很快死于肿瘤。只注射脏门静脉,小鼠很快死于肿瘤。只注射5050个肿瘤个肿瘤细胞时,小鼠正常生存,手术检查未发现任何肿细胞时,小鼠正常生存,手术检查未发现任何
16、肿瘤。术后关腹饲养,发现小鼠很快死于肝肿瘤。瘤。术后关腹饲养,发现小鼠很快死于肝肿瘤。五、细胞外基质的影响五、细胞外基质的影响n nECMECM能与细胞表面的整合素相互作用,激活粘着能与细胞表面的整合素相互作用,激活粘着斑激酶(斑激酶(FAKFAK),),FAKFAK可以通过接头蛋白可以通过接头蛋白Grb2Grb2启启动动RasRas信号途径,引起细胞增殖。信号途径,引起细胞增殖。n n干细胞在干细胞在IVIV型胶原和层粘连蛋白上形成上皮细胞;型胶原和层粘连蛋白上形成上皮细胞;在在I I型胶原和纤粘连蛋白上分化为成纤维细胞;在型胶原和纤粘连蛋白上分化为成纤维细胞;在II II型胶原及软骨粘连蛋
17、白上发育为软骨细胞。型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。六、激素的作用六、激素的作用n n例例1.1.哺乳动物雄性激素促进乌尔夫氏管,抑制缪哺乳动物雄性激素促进乌尔夫氏管,抑制缪勒氏管的发育,摘除胚胎睾丸,则促进谬勒氏管勒氏管的发育,摘除胚胎睾丸,则促进谬勒氏管的发育,形成雌性生殖管道。的发育,形成雌性生殖管道。n n例例2.2.昆虫的保幼激素和脱皮激素,两者保持一定昆虫的保幼激素和脱皮激素,两者保持一定的比例时,幼虫脱皮而长大;当保幼激素含量减的比例时,幼虫脱皮而长大;当保幼激素含量减少时,幼虫化蛹,成虫器官发育。成虫期又开始少时,幼虫化蛹,成虫器官发育。成虫期又开始合成保幼激素,促进性腺
18、发育。合成保幼激素,促进性腺发育。七、细胞核与细胞分化七、细胞核与细胞分化n n(一)染色体结构的变化(一)染色体结构的变化n n1.1.基因删除:原生动物、节肢动物。基因删除:原生动物、节肢动物。n n2.2.基因扩增:多线染色体、爪蟾卵母细胞基因扩增:多线染色体、爪蟾卵母细胞rDNArDNA。n n3.3.基因重排:如基因重排:如IgIg基因基因(10(106 610108 8种抗体种抗体)。n n4.DNA4.DNA甲基化与异染色质化:基因失活。甲基化与异染色质化:基因失活。5.基因印迹基因印迹n nGenomic imprintingGenomic imprinting,特点:,特点:
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