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1、第五章 细胞分化 与“克隆”,一、细胞分化的基本概念二、细胞分化中的发育潜能变化三、细胞核移植实验的重要启示动 物特化细胞的细胞核仍保持全能性四、细胞分化与基因的时空表达五、细胞质在细胞分化中的重要作用六、内外环境 对细胞分化的影响七、“多莉”克隆羊研究的科学意义,一、细胞分化的基本概念1、什么是细胞分化（1）细胞分裂、细胞生长、细胞分化三者共同作用实现人从一个受精卵最终发育成由多细胞构成的人体。a、细胞分裂：增加细胞的数量；b、细胞生长：增加细胞的体积和重量；c、细胞分化：增加细胞的种类和功能。（2）细胞分化：(从受精卵分裂开始，通过胚胎发育演变出各种类型的组织细胞。)是指细胞的结构、形态和
2、功能发生了稳定差异的变化，这个差异形成过程就称为细胞分化。,（3）个体发育阶段：把从受精卵到个体性成熟的发育过程称为。（4）胚胎发育期：在上述过程中，形体和生理变化最大的时期是胚胎期亦被单独称为。（5）细胞分化是个体发育的基础 a、细胞分化是胚胎发育的基础 原肠胚外胚层、中胚层、内胚层，3个胚层奠定了发育人体各种组织器官、系统的基础，随后的发育都是在这3个胚层的各种细胞分化来实现的。,b、细胞分化是个体生长的基础：如血液中各种细胞的形成，就是由造血器官中（红骨髓）多能造血干细胞进行血细胞分化的结果。图5-1。,2、细胞分化的特点：3个基本特点：（1）细胞分化是单向演变，一般不发生逆转（2）分化
3、的方向和程序都是预先确定；（3）细胞生理状态随着细胞分化程度而改变 如神经细胞和肌肉细胞是高度分化的细胞,在成体中一般是不分裂的；表皮生发层细胞和骨髓造血干细胞是分化程度比较低的，可以终身保持分裂能力。,二、细胞分化中的发育潜能变化 1、发育潜能的演变规律（1）全能性：受精卵具有分化出各种组织细胞的发育潜能，这被称为。a、如植物中，高度分化的细胞仍然具有胚性细胞的潜能,发育成完整的植株。图5-3。b、在高等动物胚胎发育初期（卵裂阶段）的分裂球细胞仍然保持着全能性。例如，2-4细胞期的每个细胞若被分离开，都有可能发育成一个完整的个体，此为畜牧业成功开展胚胎切割，实现牛、羊、兔一产多胎的繁殖技术奠
4、定了理论基础。,（2）多能性：随着胚胎的进一步发育，其细胞虽然还具有分化成各种组织细胞的发育潜能，但是已经失去了发育成完整个体的能力，这时的发育潜能叫。如多能造血干细胞红细胞、白细胞、血小板等多种细胞，但是不能分化出血液系统以外的其它细胞，发育潜能只是多能性，而不是全能性。,（3）单能性：(再进一步分化，)单能造血干细胞只能分化形成专一的细胞，这时的发育潜能被称为。总之，随着细胞分化程度的深入，其发育潜能逐渐变窄，变得专一（4）终端分化细胞（特化细胞）：像成熟红细胞这样高度分化的细胞实质上是发育到尽头了,被称为。,2、发育潜能演进机制的探讨（1）德国著名细胞学家魏斯曼根据对马蛔虫研究结果提出“
5、体细胞分化是由于遗传物质丢失造成的，每一种组织中只保留了其专有的遗传物质的观点”马蛔虫的体细胞中确实存在染色体削减现象，图5-2。小麦瘿蚊体细胞也存在这种现象。（2）植物细胞的全能性说明细胞分化过程中并没有发生遗传物质丢失的现象。,3、克隆与发育潜能（1）克隆（clone）：希腊语，原意是插枝入土，重新长成一株大树。（2）生物学上表示无性繁殖系，即某个生物体的一部分通过无性繁殖手段，可人工培育出一批与原生物体基因型完全相同的后代。（3）现在已经有微生物克隆、细胞克隆、分子克隆、胚胎克隆、植物克隆、动物克隆、单克隆抗体术语。图5-4。,三、细胞核移植实验与克隆动物,1、细胞核移植技术（1）195
6、2，美国学者将爪蟾蝌蚪的肠上皮细胞的细胞核移入去核的卵细胞中，获得少数几例胚胎发育出蝌蚪，最终发育成可以生育的蛙。,（2）1978年，我国发育学家童第周先生将黑斑蛙的红细胞核移入去核的未受精卵，也有少数发育成蝌蚪；童弟周培育的鲤鲫核质杂交鱼等。（3）1981年，Hoppe等，首先在哺乳动物小鼠中成功进行了核移植实验，将灰色小鼠囊胚期细胞的核移入到黑色小鼠的去核受精卵中，经过体外培养，移核卵发育到囊胚期，再将移植到白色雌鼠（假孕鼠）子宫内，结果生产出3只仔鼠，其毛色、核型、同工酶指标都与核供体灰色鼠相同。图5-5。,童第周，字慰孙，我国著名生物学家、教育家。生于1902年5月28日，1979年3
7、月去世。浙江鄞县人。,3、多莉羊、上海羊（1）克隆羊“多莉”美国乡村音乐女歌手多利帕顿（Dolly Parton）罗斯林研究所1997年7月宣布培育成功“多莉”多莉出生于1996年7月5日下午5时，苏格兰的罗斯林研究所，6.6公斤。供体：a 芬兰多赛特母羊-乳腺细胞-培养5天-取核 b 苏格兰黑脸母羊-卵细胞-去核 电击诱导融合-创造一个人造受精卵-特殊培养-再移植到代孕母亲(受体：苏格兰白脸母羊)子宫中-出生。,维尔穆特及其同事：1000个卵434个人造未融合的卵电击融合277个人造受精卵移植到羊输卵管中 特殊培养存活247个29个发育到早期胚胎的高级阶段（桑葚胚）移植到13只代孕母亲的子宫
8、中 只有多利出生了。,英国罗斯林研究所正式向外界宣布，克隆羊多莉已于1998年4月当上了妈妈。该研究所发布的新闻公报说，多莉1998年4月13日当地时间凌晨自然分娩顺利产 下一只母羊羔，这只取名为“邦尼的小羊体重2.7公斤。新闻公报称，目前多莉母女俩“状况良好”。罗斯林研究所所长布尔菲尔德教授在一份书面声明中表示，他对多莉的生产感到高 兴。尽管多莉身份非同寻常，但小羊羔的出世证明多莉完全能够正常怀胎并生下健康的 后代。罗斯林研究所指出，多莉的生育成功，对克隆技术的商业化具有非常重要的意义。因 为，当利用细胞核移植技术培育出少量转基因动物之后，不必再利用克隆的方法，完全可 以通过像多莉这样正常怀
9、孕生子获得更多性能改良的下一代。邦尼的父亲戴维是一只普通威尔士公山羊，多莉怀孕的时间为1997年年底。罗斯林 研究所说，在邦尼出生之后，研究人员对母女俩的情况进行了一段时间观察，以确保它们安然无恙，另外也是为了让邦尼和多莉能有时间不受外界干扰地在一起联络感情，因此他 们推迟了10天左右才正式发布多莉当妈妈的消息。,技术线路仍是采用细胞核移植，与“多莉”的区别是供体细胞(提供细胞核的细胞)是人的胎儿细胞，即将人的胎儿细胞核移植至到羊的卵细胞中克隆羊“多莉”是带有人类某些基因的羊、其意义主要表现在经济价值方面。（2）上海羊：是转基因山羊4、扬州大学的克隆羊、西北农大的克隆山羊（圆圆和羊羊）、克隆牛
10、（中科院动物所）、克隆猴问世。5、克隆人?,隆人已经不是科幻小说里的梦想，而是呼之欲出的现实。目前，已有三个国外组织正式宣布他们将进行克隆人的实验，美国肯塔基大学的扎沃斯教授正在与一位名叫安提诺利的意大利专家合作，计划在两年内克隆出一个人来。由于克隆人可能带来复杂的后果，一些生物技术发达的国家，现在大都对此采取明令禁止或者严加限制的态度。模拟克隆人 古代神话里孙悟空用自己的汗毛变成无数个小孙悟空的离奇故事，表达了人类对复制自身的幻想。上世纪初，韦伯（H.J.Webber）创造了“克隆”这一词，其含义指由单个祖先个体经过无性繁殖而产生的其他个体。年，德国科学家首次提出了哺乳动物克隆的思想。197
11、8年，美国科幻小说家罗维克（D.Rorvick）写了一本名叫克隆人（The Cloning of a man，该书中文译名为复制人）的书。,如今，人们在谈到“克隆人”时常常会问，克隆爱因斯坦则罢了，如果有人克隆希特勒那样的狂人怎么办？其实，这都是对克隆技术的误解。1976年，科幻作家伊拉莱文出版了一本极受欢迎的小说巴西男孩，就对这种误解进行了批判。这部作品围绕着潜逃的纳粹医生门格尔的阴谋展开。在纳粹德国行将覆灭时，门格尔受命潜入巴西，利用希特勒的基因制造了九十六个后代，后来分别寄养在九十六个家庭里。巴西男孩告诉大家，究竟是克隆希特勒，还是克隆爱因斯坦都无关紧要，重要的是环境和教育。克隆的爱因斯
12、坦如果生活在今天，恐怕只能作一个普通的大学教授。因为仅靠个人天才就能完成重大科学发现的时代已经过去了。而克隆出的希特勒如果生活在今天，无非会是德国的一个议员，市长，或者是一个职业画家。因为当年产生种族主义的环境今天在欧洲已不复存在。,克隆人的法律地位1、克隆人是人不是物 2、克隆人给社会带来法律主体上的混乱 3、克隆人给民事法律关系带来的混乱 a克隆人没有监护人 b克隆人的人格权和荣誉权 克隆的意义 克隆人的好处第一是可以让那些得不到孩子而非常痛苦的不育患者有自己的孩子。其二，这样的克隆是只用丈夫妻子自己的精子卵子，这就避免了伦理上和心理上的阴影。还有，克隆还可以挽救濒危动物，保持人群性别的合
13、理平衡，保护少数民族遗传基因。更重要的是，克隆人可被用来研究，以比较和证明环境与遗传对人成长究竟哪一个更重要。,6、两个有关的认识难点（1）既然动物特化细胞的核仍然具有全能性，为什么说动物细胞的发育潜能随着细胞分化的深入而愈变愈窄？（2）既然动物特化细胞的核仍然具有全能性，为什么说动物特化细胞在整体水平上失去了全能性？四、细胞分化与基因的时空表达 1、差别基因表达和基因时空表达 两类基因：（1）管家基因,a、概念：是对维持细胞生存所必须的基本基因。称为管家基因。b、通常都是中等重复DNA序列，在各种细胞中处于活性表达状态，如rRNA、tRNA基因、组蛋白基因等。（2）奢侈基因 a、概念：这类基
14、因,与各种分化细胞的特性有直接关系的基因，由它们编码的蛋白质通常是一些具有特殊生理功能的结构蛋白或酶,这类基因称为奢侈基因。,b、它们大多数是单一序列的结构基因，如肌动蛋白、肌球蛋白、血红蛋白、胶原蛋白基因。c、功能：这些基因及表达产物在细胞分化中起关键作用。d、表达特点：是受到严格的时空表达调控的，即它们只在特定的发育阶段（时间），特定的组织（空间）才出现表达。人类基因组的3-4万个基因不会同时表达，实际上只有1-2%的基因在表达，其它基因关闭，处于沉默状态。（3）差别基因表达：概念：在某一时刻，有的基因在表达，而另外一些基因不表达。从而导致基因型完全相同的不同组织细胞的表型发生差异变化，这
15、称为。,（4）基因的时空表达：a、著名的例子是人类红细胞不同分化阶段，由于表达基因不同，而产生不同的血红蛋白类型。b、有胚胎、婴儿、成人血红蛋白，它们的的组成亚基是不同的。在个体发育中，胚胎期是以胚胎血红蛋白(四个亚基构成，分别为两个亚基和两个亚基）为主，婴儿期是以婴儿血红蛋白(四个亚基构成，分别为两个亚基和两个亚基）为主，成人期是以成人血红蛋白为主（人体内的血红蛋白由四个亚基构成，分别为两个亚基和两个亚基）。2、细胞分化程度与基因时空表达的关系 a、分化程度很低的早期胚胎细胞的发育潜能：具有全能性或多能性，是因为这些细胞在未来的发育阶段上，发生差别基因表达的可能性大；,b、对特化细胞而言：发
16、育潜能已经变得十分有限。因为尽管它们的细胞核具有一整套基因组，但是按照基因时空表达的程序表，它们还能够发生差别基因表达的可能性已经极少了。如小朋友和老年人的可塑性比较。五、细胞质在细胞分化中的重要作用 1、动物特化细胞丧失全能性的原因 既然动物特化细胞的细胞核与植物特化细胞的细胞核一样，保持有全能性，为什么动物特化细胞不能像植物特化细胞那样也具有发育潜能的全能性？,a、细胞全能性胞核全能性+细胞质全能性b、动物特化细胞的细胞核植物特化细胞的细胞核具有全能性c、动物细胞失去全能性细胞质失去全能性。细胞核移植实验有一个共同的特点，就是必须将细胞核移植到去核的卵细胞或受精卵中，这就证实了动物特化细胞
17、本身的细胞质失去了全能性，只有把核移植到具有全能性的卵细胞质中，才能够恢复整个细胞的全能性。,2、动物卵细胞质对细胞分化的调控（1）卵细胞质的结构：大多数动物的卵呈现圆球形、内部物质不均一分布对细胞分化发生影响，分动物极和植物极（图5-6）。a、动物极：极体附着的一端，原生质比较集中，卵裂进行比较快。如蛙卵的动物极有比较多的黑色素，比重小，受精后总是朝上；b、植物极：相对的另一极是植物极，含有比较多的卵黄质，分裂比较慢，比重大，总是朝下。（2）不均一现象：动物极到植物极的物质出现分区现象，不均一现象决定了随后的卵裂细胞的不同分化命运。,（3）决定子：卵细胞质中不均一分布着某些决定细胞分化命运的
18、物质，叫。如蝇卵的极质是性细胞决定子生殖质。马蛔虫的生殖质在植物极这一端。图5-6。A、正常：只有植物极（下）这一端的细胞分化成生殖干细胞；B、离心：混合（作用是将两极物质混合）后，第一次卵裂的两个子细胞全部分化为生殖干细胞。,3、细胞分化决定子的性质 a、概念：是储存于成熟卵细胞的细胞质中的遗传调控信息即多种mRNA。b、mRNA的类型：多达2万-5万种，每种mRNA的拷贝具有600多个，与专一性的蛋白质结合成RNP颗粒（信息体），形成一种叫做隐蔽mRNA的特殊形式，储存于卵细胞质中。所以卵细胞才具有巨大的发育潜能。,4、隐蔽mRNA的特点：4个a、这些隐蔽的mRNA都是在卵母细胞形成过程中
19、转录合成而贮存下来的，并不是在受精卵阶段才转录合成的。放线菌素D(抑制转录活性的化学药剂)处理海胆的受精卵，转录抑制活性了90%，但胚胎发育并未出现受阻的迹象。-这说明起关键作用的正是早已贮存的隐蔽mRNA。b、隐蔽的mRNA在卵母细胞中贮存时，基本上是处于非活性状态，在受精后被激活。其激活机制是Na+浓度的改变。,c、隐蔽mRNA在受精后激活，其指导的翻译决定了细胞分化。实验表明，用抑制翻译合成的化学药剂（嘌呤霉素）处理受精卵，抑制翻译活动，结果细胞分化完全终止。d、由于各种类型的隐蔽mRNA在卵细胞质中式不均一分布和定位贮存的，所以随着卵裂时细胞质不同区域分别进入不同子细胞中，从而不同子细
20、胞的细胞分化方向也就不同了。,六、内外环境 对细胞分化的影响,1、激素对细胞分化的调控作用（1）概念：是由多种内分泌腺体排到体液或血液中的信号效应物质，在远距离的细胞之间起着信息传递作用。靶细胞：受其调控的细胞叫。它具有激素受体（2）激素的种类：a、生长激素：由脑垂体分泌，促进细胞生长和蛋白质合成。,b、甲状腺素：由甲状腺分泌，能刺激组织生长、成熟和分化、促进细胞代谢。c、肾上腺皮质激素：由肾上腺分泌，对许多器官的后期发育有重要的调节作用。2、外界环境因素的影响 许多有害环境因素对胚胎发育早期的影响是严重的，如营养不良、高烧、有毒物质、放射线等导致胎儿先天畸形。,七、“多莉”克隆羊研究的科学意
21、义 1、首次证实了哺乳动物成体的特化细胞细胞核仍具有发育全能性 为什么选择供体核是乳腺细胞核？分泌物是乳汁，不会分泌到克隆动物或转基因动物自身体内，危及到自身的安全。2、首次证实了哺乳动物特化细胞的发育潜能有可能在人为条件下发生逆转分化，并探索了实现去分化再分化的实验技术3、证明克隆动物不是100%的复制。,（1）再生现象：即某些生物个体由于外伤，丢失了部分肢体或器官后，它们还可能由创伤面重新长出。自体修复的再生现象的本质是细胞分化逆转的特殊形式。（2）再生的潜能不同：a、植物和低等动物的再生能力强：如蚂蝗和蚯蚓；棘皮动物能够吐出内脏引诱敌人，逃跑后自行修复；四脚蛇和壁虎的断尾巴也是这样；b、
22、人和哺乳动物的再生能力很弱：仅有伤口愈合、骨折重新接合的创伤性再生和肝脏切除后的补偿性再生。,（3）修复过程的本质 是处于创伤面的特化细胞在外界条件的刺激下，发生去分化再分化的逆转全过程。去分化和再分化。（4）克隆与再生现象比较 从细胞分化的角度说其本质是一样的：都是迫使某些特化细胞发生去分化再分化的逆转全过程。但是克隆的去分化、再分化得更彻底。,复制希特勒、爱因斯坦、梦露是不现实，不可能的。4、显示出克隆动物技术的可应用范畴尚待深入考察（1）1999年外电报道，多莉克隆羊出现衰老迹象，与染色体端粒的缩短有关。每种生物的体细胞分裂次数是有一定的限数的，如胎儿的成纤维细胞体外培养传代50多次，而
23、成人的只能传代20多次，细胞的寿命与染色体端粒的消减现象有关，端粒DNA在体细胞中每分裂复制一次就丢失一小段，随着岁月的增长端粒序列的缩短，决定了个体细胞的衰老。（生殖细胞和肿瘤细胞除外，因为有端粒酶能修补端粒序列的缺口，不受细胞分裂次数的限制）,（2）多莉克隆羊衰老的原因a、乳腺细胞核取自6岁成熟母羊的乳腺细胞，核移植时该细胞核的染色体端粒DNA序列已经缩短了一大段；b、克隆过程中，染色体端粒DNA序列的短缺当然未得到修复，因为没有经过有性繁殖，或没有经过生殖细胞时期。c、1999年，多莉的年龄是3岁，但从端粒DNA序列的短缺上所记录的实际年龄应该是6岁+3岁（未包括胚胎期5个月胎龄），已经
24、达到绵羊的老年期，真是“未老先衰”。所以克隆人可以长生不老，应该打个？,多利羊患肺病死亡 据罗斯林研究所透露，在被确诊之前，多利已经不停地咳嗽了一个星期。2月14日，经兽医诊断，多利患有严重的进行性肺病。所谓“进行性”疾病是指患者病情不断发展恶化，生命危在旦夕。鉴于这种情况，研究所决定为多利实施“安乐死”，他们实在不忍眼睁睁地看着多利郁郁而终，希望这只曾经享受过生命的快乐、并且为全世界带来过无数惊喜的可爱的小绵羊平静安详地离开人世。,去分化(dedifferentiation)是指某些特化细胞重新回转成为原始阶段的胚性细胞后，失去特化细胞所特有的结构和功能，恢复其细胞分裂生长能力，其发育潜能由单能性又恢复为胚性细胞的多能性。,再分化(redifferentiation)是指己经去分化形成的胚性细胞在某些刺激条件下(例如创面神经组织分泌的成纤维细胞生长因子诱导，以及创面产生的生物电流刺激等)，重新启动开始分化发育进程。,
