細胞生物學：第10章 細胞分化

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1、一、細胞分化的概念l 細 胞 分 化 （ c e l l differentiation） 指同一來源的細胞通過分裂逐漸產(chǎn)生結(jié)構和功能上穩(wěn)定差異的過程。第一節(jié)第一節(jié) 分化概念及規(guī)律分化概念及規(guī)律l識別細胞分化的 3 項指標：A.細胞的形態(tài)結(jié)構；B.生理功能； 分裂指數(shù)與分化程度成反比，分化程度越高對環(huán)境因子敏感越低。C.蛋白質(zhì)合成。l細胞分化的主要標志是：細胞內(nèi)新的特異性蛋白質(zhì)的 合成。l細胞分化的實質(zhì)是：基因的差別表達。二、細胞分化的一般特點二、細胞分化的一般特點（一）具有遺傳（一）具有遺傳穩(wěn)定性穩(wěn)定性n高等生物中，分化一旦確立，則其分化狀態(tài)十分穩(wěn)高等生物中，分化一旦確立，則其分化狀態(tài)十分穩(wěn)

2、定且能通過許多細胞世代。定且能通過許多細胞世代。例例: :n黑色素細胞在體外培養(yǎng)黑色素細胞在體外培養(yǎng)3030多代后仍能合成黑色素；多代后仍能合成黑色素；n離體培養(yǎng)的上皮細胞，始終保持為上皮細胞，而離體培養(yǎng)的上皮細胞，始終保持為上皮細胞，而不會變成其他類型的細胞。不會變成其他類型的細胞。（二）細胞分化的時空性和有序性（二）細胞分化的時空性和有序性造血干細胞造血干細胞前體細胞前體細胞祖細胞祖細胞功能功能血細胞血細胞n在細胞出現(xiàn)可識在細胞出現(xiàn)可識別的形態(tài)和功能別的形態(tài)和功能的差異以前，細的差異以前，細胞已經(jīng)確定分化胞已經(jīng)確定分化方向，這種細胞方向，這種細胞的發(fā)育選擇叫做的發(fā)育選擇叫做(cell de

3、termination）果蠅成蟲盤移植試驗果蠅成蟲盤移植試驗無任何分無任何分化特征化特征3.細胞決定先于形態(tài)差異的出現(xiàn)細胞決定先于形態(tài)差異的出現(xiàn)腦腦表表皮皮神經(jīng)管神經(jīng)管腺腺脊髓脊髓毛、齒毛、齒甲、爪甲、爪細胞決定是細胞潛能逐漸受限的過程胰胰肝肝呼吸系統(tǒng)上皮呼吸系統(tǒng)上皮消化道上皮消化道上皮腺腺甲狀腺甲狀腺甲狀旁腺甲狀旁腺中胚層中胚層外胚層外胚層內(nèi)胚層內(nèi)胚層分化分化卵卵裂裂受受精精卵卵分化潛能降低分化潛能降低4.分化的有序性分化的有序性l血紅蛋白肽鏈血紅蛋白肽鏈4聚體在個體發(fā)育中呈現(xiàn)規(guī)律變化。聚體在個體發(fā)育中呈現(xiàn)規(guī)律變化。l構成血紅蛋白的珠蛋白肽鏈有 7 種：、G、A、。l絕大多數(shù)血紅蛋白由一對鏈

4、和一對非鏈組成。l鏈(和)由141個氨基酸組成，非鏈(,和)由146個氨基酸組成。發(fā)育階段發(fā)育階段HbHb種類種類HbHb分子組成分子組成Hb GowerHb Gower2 22 2Hb GowerHb Gower2 22 2Hb PortlandHb Portland2 22 2HbFHbF2 22 2(70(70 80%)80%)HbAHbA2 22 2(95%)(95%) HbA HbA2 22 22 2(2(2 3.5%)3.5%)HbFHbF2 22 2（ 1.5 1.5）l在一定條件下，細胞分化是可逆的。植物細胞的去分化；表皮細胞在過量維生素A的作用下可以轉(zhuǎn)分化為粘膜上皮細胞；低等

5、動物的再生現(xiàn)象（轉(zhuǎn)分化）。 在培養(yǎng)基中在培養(yǎng)基中離體培養(yǎng)離體培養(yǎng)胚狀體發(fā)育胚狀體發(fā)育轉(zhuǎn)接轉(zhuǎn)接試管苗試管苗移栽成活移栽成活成熟胡蘿卜植株成熟胡蘿卜植株切取切取葉組織薄片葉組織薄片l部分細胞分化表現(xiàn)為一次性：哺乳動物神經(jīng)細胞的分化是在發(fā)育的早期一次發(fā)生的，嬰兒期之后不再分化。l部分細胞分化表現(xiàn)為持續(xù)性：如多能造血干細胞分化為不同血細胞的細胞分化過程。三、三、 細胞分化潛能細胞分化潛能 1.在發(fā)育過程中細胞發(fā)育潛能逐漸變窄全能性：單個細胞在一定條件下分化發(fā)育成為完整個體的能力稱為細胞全能性（totipotency）。外、中、內(nèi)三胚層的細胞只能向發(fā)育為本胚層組織器官的方向分化，稱為多能性（plurip

6、otency）細胞。動物的體細胞大多數(shù)已經(jīng) “單能化”。細胞分化的共同規(guī)律：隨著分化程度提高，細胞的隨著分化程度提高，細胞的發(fā)生變化：發(fā)生變化：腫瘤細胞腫瘤細胞（對電離輻（對電離輻射敏感性高）射敏感性高）（對電離輻射（對電離輻射敏感性高）敏感性高）細胞生物學細胞生物學3.3.分化細胞的細胞核的全能性分化細胞的細胞核的全能性一、細胞分化與基因差別表達一、細胞分化與基因差別表達（luxury gene）即組織特異性基因，指導即組織特異性基因，指導產(chǎn)生細胞分化時出現(xiàn)的各種特異蛋白的基因。產(chǎn)生細胞分化時出現(xiàn)的各種特異蛋白的基因。 （luxury protein） 這類蛋白對細胞自身生這類蛋白對細胞自身

7、生存無直接影響，卻是細胞向特殊類型分化的物質(zhì)基存無直接影響，卻是細胞向特殊類型分化的物質(zhì)基礎。礎。n如紅細胞的血紅蛋白、表皮細胞的角蛋白、肌細如紅細胞的血紅蛋白、表皮細胞的角蛋白、肌細胞的收縮蛋白、腺細胞的分泌蛋白等。胞的收縮蛋白、腺細胞的分泌蛋白等。(house-keeping gene) 不參與細胞分化方不參與細胞分化方向的確定，而僅指導生成維持細胞生存所必需的最向的確定，而僅指導生成維持細胞生存所必需的最基本的蛋白質(zhì)的基因?；镜牡鞍踪|(zhì)的基因。（housekeeping protein） 維持細胞生命活維持細胞生命活動所必需的，各類細胞普遍共有的蛋白質(zhì)。動所必需的，各類細胞普遍共有的蛋白

8、質(zhì)。n膜蛋白、核糖體蛋白、線粒體蛋白、糖酵膜蛋白、核糖體蛋白、線粒體蛋白、糖酵解酶、核酸聚合酶等。解酶、核酸聚合酶等。細胞總 DNA細胞總 RNA輸卵管細胞成紅細胞胰島細胞輸卵管細胞成紅細胞胰島細胞卵清蛋白基因 +- - -珠蛋白基因 +- -+- -胰島素基因 +- - -+實驗方法 Southern 雜交 Northern 雜交分子雜交技術檢測基因及其表達分子雜交技術檢測基因及其表達組合調(diào)控（組合調(diào)控（combinational control）概念：）概念： 有限的少量調(diào)控蛋白啟動為數(shù)眾多的特異細胞類型的分化 的調(diào)控機制。即每種類型的細胞分化是由多種調(diào)控蛋白共同調(diào)節(jié)完成的。 生物學作用：

9、生物學作用：借助于組合調(diào)控，一旦某種關鍵性基因調(diào)控蛋白與其它 調(diào)控蛋白形成適當?shù)恼{(diào)控蛋白組合，不僅可以將一種類型的 細胞轉(zhuǎn)化成另一種類型的細胞，而且遵循類似的機制，甚至 可以誘發(fā)整個器官的形成。分化分化啟動機制：啟動機制： 靠一種關鍵性調(diào)節(jié)蛋白通過對其他調(diào)節(jié)蛋白的級聯(lián)啟動。 765432chromatinStructurecontrol1lDNA甲基化（methylation）導致某些區(qū)域DNA構象變化，從而影響蛋白質(zhì)與DNA的相互作用，抑制轉(zhuǎn)錄因子與啟動區(qū)DNA的結(jié)合效率。lDNA的甲基化可引起基因的失活?？梢鸹虻氖Щ?。一、細胞內(nèi)因素1.細胞質(zhì)對細胞分化的影響l機制：受精卵胞質(zhì)中的物質(zhì)在

10、子細胞中分配不均等，這些尚不明確的細胞質(zhì)成分可以調(diào)控核基因的選擇性表達，使細胞向不同方向分化。 蛙受精卵的灰新月區(qū)的劃分實驗第三節(jié)第三節(jié) 影響細胞分化的因素影響細胞分化的因素一些發(fā)育途徑一些發(fā)育途徑的決定，往往的決定，往往是首先由細胞是首先由細胞質(zhì)控制，而不質(zhì)控制，而不是由細胞核控是由細胞核控制，細胞質(zhì)在制，細胞質(zhì)在細胞決定中起細胞決定中起控制作用。控制作用。1.誘導在胚胎發(fā)育過程中，一部分細胞對鄰近細胞產(chǎn)生影響，并決定其分化方向的作用稱為胚胎誘導。Spemann 因此獲諾貝爾獎。最早提出“克隆” 概念。脊索脊索視杯視杯晶狀體晶狀體角角膜膜 神經(jīng)板神經(jīng)板神經(jīng)管神經(jīng)管初級初級誘導誘導次級次級誘導

11、誘導三級三級誘導誘導l在胚胎發(fā)育中，已分化的細胞抑制鄰近細胞進行相同分化而產(chǎn)生的負反饋調(diào)節(jié)作用稱為細胞抑制（inhibition）。l分 化 完 成 的 細 胞 可 以 產(chǎn) 生 抑 素 （chalone），抑素可抑制附近的細胞進行同樣的分化。蛙胚置于含成體蛙心臟組織的培養(yǎng)液中,其分化進程會受到阻礙而不能完成。三、環(huán)境因素對細胞分化影響三、環(huán)境因素對細胞分化影響反應停事件！反應停事件！A.不敏感期（不敏感期（受孕后受孕后2 2周內(nèi)周內(nèi)）l此期的胚胎受到致畸作用后容易發(fā)生損害，但較少發(fā)此期的胚胎受到致畸作用后容易發(fā)生損害，但較少發(fā)生畸形。生畸形。此時的胚胎細胞的分化程度極低，如果致畸作用強，胚胎即

12、此時的胚胎細胞的分化程度極低，如果致畸作用強，胚胎即死亡；如果致畸作用弱，少數(shù)細胞受損死亡，多數(shù)細胞可以死亡；如果致畸作用弱，少數(shù)細胞受損死亡，多數(shù)細胞可以代償調(diào)整。代償調(diào)整。B.敏感期（敏感期（受孕后受孕后3-83-8周周）l所有主要的外表和內(nèi)部結(jié)構都在此時開始發(fā)育。極易所有主要的外表和內(nèi)部結(jié)構都在此時開始發(fā)育。極易受到內(nèi)外環(huán)境因素的影響與損害，而導致嚴重的形體受到內(nèi)外環(huán)境因素的影響與損害，而導致嚴重的形體與內(nèi)臟畸形。與內(nèi)臟畸形。C.低敏感期（受孕后9-38周）l此時胚胎進入胎兒期，器官組織漸趨發(fā)育成形，對有害物質(zhì)的敏感性下降，如受侵害則表現(xiàn)為某些生理功能障礙或小的形體異常。l大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)分化發(fā)育時間較長，直到妊娠晚期還保持對致敏因子的敏感性，故在妊娠晚期受侵害亦可影響胎兒智力發(fā)育。