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1、1,第十五章 细胞分化与胚胎发育,第一节 细胞分化第二节 胚胎发育中的细胞分化,2,第一节 细胞分化,在个体发育中,细胞的后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化(differentiation)，其本质是基因选择性表达的结果，即基因表达调控的结果。,细胞分化的关键在于组织特异性基因在时间、空间上的选择性表达，导致特异性蛋白质的合成,一、细胞分化的基本概念,3,4,Human:1014 cells,200 cell types,5,分化细胞的特点,分化细胞具有以下四个特点：个体中所有不同种类的细胞的遗传背景完全一样。分化细胞彼此之间在形态、结构、功能方面的不同是由于其拥有不同的蛋白质
2、所致。细胞分化中最显著的特点是分化状态的稳定性。虽然细胞分化是一种相对稳定和持久的过程,但是在一定的条件下,细胞分化又是可逆的。,6,1、细胞分化是基因选择性表达的结果,分子杂交技术检测基因及其表达,7,2、组织特异性基因与管家基因,管家基因(house-keeping genes)，或管家基因：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；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 调节基因（regulator
3、y gene）：产物用于调节组织特异性基因的表达，起激活或者起阻遏作用,8,3、组合调控引发组织特异性基因的表达,组合调控概念：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。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。生物学作用：借助于组合调控，一旦某种关键性基因（主导基因）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。如启动骨骼肌细胞分化的调控蛋白yoD和眼发育的Ey基因。分化启动机制：靠一种关键性调节蛋白通过对其他调节蛋白的级联启动。,9,10,4、单细胞有机体的细胞分化,单细胞与
4、多细胞有机体细胞分化的不同之处：前者多为适应不同的生活环境，如黏菌的细胞分化，而后者则通过细胞分化构建执行不同功能的组织与器官。多细胞有机体在其分化程序与调节机制方面显得更为复杂。,11,12,5、转分化与再生,一种类型的分化细胞转变成另一种类型的分化细胞现象称转分化（transdifferentiation）。转分化经历去分化（dedifferentiation）和再分化（Redifferentiation）的过程。生物界普遍存在再生现象（regeneration），再生是指生物体缺失部分后重建过程，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。不同的细胞有机体，其再生
5、能力有明显的差异。包括生理性再生和修复性再生,13,二、细胞的全能性与多能干细胞,1、细胞的全能性(totipotency)全能性概念：是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。受精卵、早期胚胎细胞、植物细胞具有全能性。随着分化程度提高，动物细胞的全能性逐渐变窄，丧失了发育成为个体的能力。但细胞核方面，它包含有保持物种遗传性所需的全套基因，因此在理论上高度分化细胞的细胞核仍具有全能性。,14,植物细胞具有全能性，在适宜的条件下可培育成正常植株,15,16,动物细胞的全能性,17,18,2、干细胞（Stem cell）具有多潜能性的细胞称为干细胞，在一定条件下，可以分化为多种功能细
6、胞。具有自我更新和多向分化潜能两个特征。多潜能性（pluripotency）：高等动物的细胞随胚胎的发育，细胞逐渐丧失发育成个体的能力，仅具有分化成为有限细胞类群及构建组织的潜能，这种潜能称为多潜能性。,19,胚胎干细胞（Embryonic stem cells),20,成体干细胞（adult stem cells）-组织干细胞,21,干细胞类型有分化潜能,(1)单能干细胞（Monopotential stem cell）,22,（2）多能干细胞（Pluripotent stem cells）,23,24,（3）全能干细胞胚胎干细胞（Embryonic stem cells）,25,26,27
7、,3、影响细胞分化的因素,（A）受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响（B）胞外信号分子对细胞分化的影响(如眼的发生)（C）细胞间的相互作用与位置效应（D）细胞记忆与决定（E）环境对性别决定的影响（F）染色质变化与基因重排对细胞分化的影响,28,（A）受精卵细胞质的不均一性,动物受精卵并不是均一结构，而是具有高度的异质性。卵细胞具有极性，可分为动物极（核靠近的一极）和植物极。其次，卵细胞中的蛋白质、mRNA并非均匀分布的，而是定位于特定的空间。多数mRNA和蛋白质结合处于非活性状态，成为隐蔽mRNA（masked mRNA）。在卵裂过程中，不同的细胞质被分配到不同的子细胞中（分得的家底不同），
8、从而对子细胞的分化命运产生影响。,29,卵细胞中的母体信息,30,细胞分化中的核质关系,细胞质对细胞核的作用当鸡的红细胞与培养的人Hela细胞(去分化的癌细胞)融合后,核的体积增大20倍,染色质松散,出现RNA和DNA合成,鸡红细胞核的重新激活是由于Hela细胞的细胞质调节的结果；将培养的爪蟾肾细胞核注入蝾螈的卵母细胞内,分析蛋白质合成情况发现,原来在肾细胞中表达的基因,这时不表达,而原来不表达的基因,这时却被激活。,31,蛙的核移植实验,32,（B）胞外信号分子对细胞分化的影响,近端组织的相互作用（胚胎诱导）：通过旁分泌的方式产生信号分子，如成纤维细胞生长因子（FGF）、转化生长因子（TGF
9、）、hedgehog家族、Wnt家族和juxtacrine家族。远距离细胞间的相互作用：性激素对性分化；昆虫的保幼激素和脱皮激素；无尾两栖类的幼体发育的变态阶段(metamorphosis),细胞外基质（ECM）也能引起特定细胞的增殖和分化：细胞外基质中能与细胞表面的整合素相互作用，激活粘着斑激酶（FAK），FAK可以通过接头蛋白Grb2（growth receptor bound protein 2）启动Ras信号途径，引起细胞增殖和分化。,33,34,甲状腺素和三碘甲腺原氨酸,35,（C）细胞间的相互作用与位置效应,胚胎诱导（embryonic induction）：胚胎发育过程中，一部分
10、细胞诱导周围细胞向特定方向分化的现象。也称“近端组织的相互作用”（promixate tissue interaction）。胚的脊索诱导实验。视泡诱导晶状体和角膜的形成。可能通过胞外信号分子（蛋白）（旁分泌）发挥作用位置效应（Position effect）：细胞的位置对细胞分化方向的决定作用。级联信号；梯度信号；拮抗信号；组合信号；侧向信号。号：,36,37,（D）细胞记忆与细胞决定,细胞决定(cell determination)是指细胞在发生可识别的形态、结构和功能差异之前,就已受到约束而向着特定方向分化。细胞决定可看作分化潜能逐渐限制的过程，决定先于分化。,38,卵细胞质决定子在细胞
11、决定中的作用 从受精卵第一次卵裂开始,细胞核就受到内环境(即不同的卵细胞质)的影响。这些特殊细胞质组分称为细胞质决定子(cytoplasmic determinants)。决定子支配着细胞分化的途径。受精卵在数次卵裂中,决定子一次次地被重新改组、分配。卵裂后,决定子的位置固定下来,并分配到不同的细胞中,子细胞便产生差别。,39,卵细胞与体细胞的比较,40,性细胞决定子 果蝇卵在受精后的2小时内只进行核分裂,细胞质不分裂,形成合胞体胚胎。随后核向卵边缘迁移,细胞的分化命运决定于核迁入不同的细胞质区域。迁入卵后端极质中的形成极细胞,最后分化为生殖细胞。果蝇卵细胞后端存在决定生殖细胞分化的细胞质成分
12、，称为生殖质（germ plasm）。获得生殖质的细胞细胞发育为原始生殖细胞，用紫外线照射这一区域，破坏生殖质，卵将发育为无生殖细胞的不育个体。,41,性细胞决定,42,体细胞决定子 体细胞的分化方向同样受细胞质的决定。果蝇幼虫从前到后分布着若干未分化的成虫盘,前部胚盘和后部胚盘分别发育为成虫的前部(头、胸和前腹部)和后腹部结构。,43,果蝇的体细胞决定果蝇成虫盘(imaginal disc),44,45,（E）环境对性别决定的影响,蜥蜴类：低温（24），全部发育为雌性；高温（32），全部发育为雄性。龟类：情况与蜥蜴类相反。,46,（F）染色质变化和基因重排对细胞分化的影响,基因删除：原生动物
13、、昆虫、甲壳动物。基因扩增：果蝇多线染色体。基因重排：免疫球蛋白基因（106108种抗体）。DNA的甲基化与异染色质化：胞嘧啶的甲基化使基因失活。,47,第二节 胚胎发育中的细胞分化,一、生殖细胞的分化1、哺乳动物的性别分化性腺原基的分化：Y染色体生殖嵴发育，睾丸决定因子SRY基因。原生殖细胞（PGC）迁移形成生殖嵴,48,49,除SRY基因外，还依赖于下游的基因，如Sox9基因。SRY是Sox9基因的“开关”，Sox9基因持续表达对性别分化起重要作用。此外，转录因子FGF9（成纤细胞生长因子，信号分子）维持Sox9基因有达，稳定睾丸支持细胞的分化状态。,50,51,卵巢的分化Wnt4基因：编
14、码一种生长因子，为Wnt家族成员。性别决定后，其表达仅限于XX个体。,52,2、生殖细胞的形成与成熟（A）原生殖细胞（PGC）产生BMP（TGF超家族成员）作用于其受体，活化SMAD蛋白BMP信号通路的效应分子，调控Otc4表达。,53,（2）原生殖细胞向生殖细胞的分化,54,55,二、早期胚育过程中的细胞分化1、早期发育受精：顶体反应，皮层反应囊胚：内细胞团原肠胚：囊胚细胞内陷、迁移胚层分化：外胚层、内胚层，中胚层（TGF-家族蛋白）,56,2、神经胚形成中的信号转导脊索形成：Wnt信号途径（Wnt-Frizzle-Dsh-RhoA-Rok2和Das-Stbm-JNK）,改变细胞骨架；转录辅
15、助因子-catenin（-链蛋白）神经管形成:Pax3,sonic hedgehog,openbrain基因。叶酸缺乏导致神经闭合缺陷，形成脊柱裂或无脑畸形。,57,58,3、神经管的初期分化（A）发育进程中神经干细胞的维持FGF信号维持神经上皮的干细胞特性Wnt经典途径维持神经管腹侧前体细胞的分裂能力（通过-catenin调控cyclin D1和c-myc表达）Hedgehog途径对早期中枢神经系统生长的调控BMP(TGF-分泌蛋白家族)信号调控背侧脊髓细胞的增殖和分化,59,60,61,（B）神经管细胞的分化Shh(Sonic hedgehog,为hedgehog分泌蛋白家族成员)和RA在
16、腹侧神经细胞分化中起关键作用BMP在背侧神经细胞分化中起关键作用神经元亚类的特化：FGF，RA,Shh,BMP,62,63,三、果蝇胚胎早期发育中的细胞分化脊椎动物：调整型发育，依赖型发育依赖环境无脊椎动物：镶嵌型发育，自主型发育,64,65,三、胚胎发育与细胞分化相关基因,有限的基因如何选择性的进行时空的差异表达？果蝇的Hox genes的研究为回答这个问题 Hox genes在果蝇体节发育中起关键作用的基因群，其基因成员都含有一段高度保守的同源异型框（hemeobox，简称同源框）序列，故称为同源异型基因（homeotic Genes，Hox genes）。同源框长180bp，编码的多肽序
17、列称为同源异型结构域，60个氨基酸形成螺旋-转角-螺旋结构，与DNA序列大沟相互作用，启动基因表达。,66,Hox genes 在染色体上串联排列成簇，排列顺序与各自表达区域相对应。同时，Hox genes的表达也具有区域特异性（特别是在胚胎发育阶段）；同源异形基因的突变导致发育的异常。Hox genes提供了一种“单个基因诱导（控制）某器官或性状的发生”的模型。Hox genes广泛存在于多种无脊椎动物和脊椎动物中。,67,触角基因突变,触角基因只限于在头部节段表达：Antp（触角基因）突变，在本该长出触角的位置形成腿,68,双胸突变,超级双胸基因限于在胸节表达：果蝇的双胸（UbX）突变（两
18、节中胸，没有后胸，因而没有平衡棒）,69,第三节 真核细胞基因表达的调控,持（管）家基因(House-keeping gene)组织特异性(Tissue-specific gene)表达基因或称为奢侈基因(luxyry gene)细胞分化主要是奢侈基因中某种(或某些)特定基因的选择性表达的结果。,70,基因的选择性表达,71,基因表达的调控,真核细胞基因表达的调控是多级调控系统，主要发生在三个彼此相对独立的水平上：转录水平的调控加工水平的调控翻译及翻译后水平的调控,72,一转录水平的调控,转录前DNA水平的调控，并不是普遍存在的调控方式，只是真核细胞基因表达调控的一种次要和辅助手段。转录水平上
19、的基因调控，才是真核细胞基因调控的主要环节。,73,1、转录激活转录因子与真核生物的基因转录,转录因子 通用转录因子：与RNA聚合酶的核心启动子位点结合特殊转录因子：与特异基因的调控位点结合启动子：TATA框：与通用转录因子结合，转录起始位点上游-30bp处，决定转录起始的位点CAAT框和GC框：决定RNA聚合酶转录基因的效率。转录因子结构：转录因子与DNA序列相互作用最常见的几种结构模式，如锌指结构，亮氨酸拉链等。,74,启动子元件的位置,75,转录因子结构：DNA结合结构域和激活结构域增强子（enhance）:转录辅助因子在DNA上的结合元件,76,转录因子与DNA序列相互作用最常见的几种
20、结构模式,77,2、基因表达阻遏,（1）转录抑制因子（2）DNA甲基化（DNA methylation）：与基因表达阻遏有关。甲基化不足：转录活性基因去甲基化：激活转录基因组印记（genomic imprinting）：说明甲基化作用在基因表达中具有重要意义的最好例证，也是哺乳动物所特有的现象（3）核小体结构对基因的转录：组蛋白H3和H4的乙酰化饰：组蛋白乙酰化酶与组蛋白脱（去）乙酰化酶,78,甲基化作用与基因活性调节,79,二、加工水平的调控转录后水平调控,转录后调控包括转录后加工、降解调节。简单的转录本的加工（组成型剪接）:这种转录本的加工主要是切除内含子。内含子的切除按“GT-AG”规则
21、,即内含子的切除总是在5端以GT开始,在3端以AG结束。复杂的转录本的加工（选择性剪接）这种加工的hnRNA属于基因全长转录,经不同剪接产生不同的成熟mRNA,表达不同的产物。,80,转录后加工的调节,81,三、翻译及翻译后水平的调控,细胞质中进行的转译水平的调控包括:mRNA稳定性的控制、差别翻译、翻译起始的控制、下游区的控制等。铁蛋白的翻译是细胞在mRNA水平控制基因表达的一个很好的例子。铁蛋白在细胞内的作用是螯合细胞质中的游离铁原子，保护细胞免受游离金属的毒性。铁蛋白的翻译受细胞内游离铁的浓度调节的，铁离子的浓度影响一种阻遏蛋白的活性。,82,铁蛋白的翻译调控,83,翻译后加工的控制,在真核生物中许多激素的合成都是以一个共同的前体合成的，称为聚蛋白，然后切割成不同的蛋白质。但是在不同的组织中，切割的方式是不同的，因此相同的基因在不同的组织中合成不同的激素蛋白。例如多肽蛋白阿黑皮素原(POMC)的合成就是一例。此外，mRNA运输的控制、mRNA降解的控制等。,84,翻译后加工控制,85,作 业,何谓细胞分化？为什么说细胞分化是基因选择性表达的结果？2.影响细胞分化的因素有哪些？请予说明。3.说明癌症的发生与癌基因和抑癌基因的关系。4.真核细胞基因表达调控有哪些不同环节，各有何作用？,
