医学细胞生物学细胞分化.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节,细胞分化概述,受精作用,多细胞生物是由形态各样、功能迥异的组,织和细胞组成的有机统一体,神经细胞：传导神经冲动,肌肉细胞：行使运动功能,血液细胞：负责物质运输,淋巴细胞：构筑防御体系,成年人全身细胞总数约,10,14,个，,细胞种类,有,200,多种,上述各种各样的细胞均来源于受精卵,细胞的分化,继续发育,神经细胞,红细胞,肌肉细胞,上皮组织细胞,对象,：相同细胞不同的细胞,结果,：,产生形态、结构、功能不同的细胞,定义,：在个体发育中，由一个或一种细胞增殖,产生的后代，在形态、结构和生理功能,上发生,稳定性差异,的过程,一、细胞分化的概念,什么是稳定性差异？,例如：在动物胚胎发育过程中，红细胞和心肌细胞都是来自中胚层。但是，后来红细胞能够合成血红蛋白，而心肌细胞则能够合成肌动蛋白和肌球蛋白。这两种细胞的,稳定性差异,是,不可逆转,的。,二、细胞分化的特点,1.黑色素细胞在体外培养30多代后仍能合成黑色素；离体,培养的上皮细胞，始终保持为上皮细胞，而不会变成其,他类型的细胞。,稳定性,2.一种类型的分化细胞可以转化为其他种类的分化细胞称,为横向分化；而某些组织的成体干细胞具有分化为另一,种组织细胞的潜能。,可塑性,3.细胞分化是一种普遍的生命现象，在整个个体发生中均,有细胞分化活动,普遍性,4.不同发育阶段，细胞出现不同的形态和功能；因细胞所,处空间位置不同而出现而出现形态和功能上的差异,时空性,三、细胞分化的原因,细胞分化的关键在于,特异性蛋白质合成,合成特异性蛋白质实质在于,组织特异性基因,在时间和空间上的,差异性表达,差异性表达的机制是基因表达的组合调控,胚 胎细胞,红细胞,心肌细胞,血红蛋白基因开启,肌动蛋白基因关闭,大量合成血红蛋白,血红蛋白基因关闭,肌动蛋白基因开启,大量合成肌红蛋白,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,四、细胞分化的意义,细胞分化是个体发育的基础,使多细胞生物体中的细胞趋向专门 化，有利于提高各种生理功能的效率,细胞分化,有丝分裂,受精卵,小肠上皮细胞,血红细胞,神经细胞,五、细胞分裂与细胞分化,细胞分裂,细胞分化,不,同,点,细胞数量,形态结构功能,相,同点,联系,增加,相同,不变,差异,遗传信息都不变,共同完成生物个体发育过程,细胞全能性,是指细胞在一定条件下所表现出分化为各种类型细胞的潜能或重新发育成完整个体的能力,植物细胞具有全能性,，在适宜的条件下可培育成正常的植株。,动物细胞核移植,实验证明,细胞核具有发育全能性,如蛙皮细胞核移植后发育成蝌蚪,Dolly,羊的诞生,说明高度分化的哺乳动物体细胞核也具有发育全能性,六、细胞的全能性,1958年，美国植物学家斯图尔德等人，用胡萝卜韧皮部的组织块进行离体培养，得到了完整的植株,并且能够开花结果。,胡萝卜肉质根的组织培养示意图,成熟的胡萝卜植株,胡萝卜肉质根薄片,胡萝卜试管苗,胚状体发育,离体培养,植物组织培养的基本过程,科学实验已经证实：植物的,花药、根尖、茎尖、幼胚、种子、果实,等都能够在适宜的条件下发育成完整植株,克隆绵羊“多莉”,母绵羊,A,乳腺细胞（体细胞）,母绵羊,B,未受精的卵细胞,母绵羊,C,“,多莉,”,新的卵细胞,发育成胚胎,去核卵细胞,提取细胞核,细胞融合,胚胎移植,细胞全能性是,潜能，,要表现,全能性,需要前提条件,必须是离体的细胞或组织器官,需要适宜的条件,个体发育同样要经历细胞分裂、细胞分化,受精卵发育按严格的模式和时间次序发展，,发育初级的细胞,并非包含成形的形体，而是具备发育为完整个体的潜力。,这种潜力，来自一组称为,干细胞,的分化能力。在个体发育整个过程中，由于干细胞的存在使细胞分化不断进行。,七、干细胞,是一类具有自我复制能力的多潜能细胞，在一定条件下可以分化成多种功能细胞,。,高度的增殖潜能,（自我更新能力或自我维持能力）,高度的分化潜能,（可分化为多种组织）,七、干细胞,干细胞有两方面区别于其它细胞的特征,1.,可分化为与自身完全相同的细胞,2.,可生产出特异性分化的细胞,根据个体发育过程中出现的先后次序不同，干细胞可分为两类：,胚胎干细胞,成体干细胞。,胚胎干细胞，,又称全能干细胞,，,存在于未发育成熟的胚胎,，高水平表达端粒酶，可分化为除构成脐胎盘，脐带等之外的任何一种特定类型细胞。,即能长成动物的任何组织和器官。,人胚胎,干细胞培养过程,精原细胞,内细胞群,的细胞可以发育成除了胎盘以外的完整个体，因而这些细胞被认为具有全能性。,胚胎干细胞的优点 全能性,成体干细胞,是存在于成体动物的许多组织和器官，具有修复和再生的能力的细胞。,成体干细胞,大多数时候处于静息状态。,在特定条件下，,成体干细胞,或者产生新的干细胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能细胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。,成体干细胞的优点,成体干细胞则可从患者自身获得，不存在,组织相容性的问题。,成体干细胞不会诱发畸胎瘤的发生。,成体干细胞也不存在伦理学争执。,成体干细胞的不足,尚未从人体的全部组织中分离出成体干细胞,.,成体干细胞含量极微，很难分离和纯化，且数量随年龄增长而降低,在一些遗传缺陷疾病中，遗传错误很可能也会出现于病人的干细胞中，这样的干细胞不适于移植,成人身上获得的干细胞可能没有年轻人的干细胞那样的增殖能力,由于日常生活中人是暴露在各种环境之下的，日光和毒素等都有可能造成基因突变，成体干细胞可能包含更多的,DNA,异常等等。,神经干细胞,造血干细胞,间充质干细胞,骨及软骨干细胞,心脏干细胞,皮肤干细胞,脂肪干细胞,肠胃干细胞,胰腺干细胞,肝脏干细胞,前列腺干细胞,角膜干细胞,气管干细胞,血管内皮干细胞,生殖干细胞,肿瘤干细胞,目前已经分离到的成体干细胞,造血干细胞,造血干细胞,是体内各种血细胞的唯一来源，它主要存在于骨髓、外周血、脐带血中。,在,20,世纪五十年代，临床上就开始应用骨髓移植,（,BMT,）,方法来治疗血液系统疾病。,全能干细胞,多能干细胞,干细胞技术的市场前景,研究干细胞增殖和分化机制的最终目的是应用干细胞治疗疾病。,理论上讲，干细胞可以用于各种疾病的治疗，但其最适合的疾病主要是组织坏死性疾病如缺血引起的心肌坏死，退行性病变如帕金森综合征，自体免疫性疾病如胰岛素依赖型糖尿病等。,目前科学家已能在体外以干细胞为种子培育成功一些组织器官，来替代病变或衰老的组织器官。,造血干细胞移植,是目前治愈,白血病,和,某些遗传性血液病,的惟一希望，在肿瘤和难治性免疫疾病的治疗中也有其独特的作用。,干细胞技术的市场前景,第二节,细胞分化的机制,卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。,北极或动物极：极体释放的部位；,南极或植物极：相对北极而言，母体物质主要储存在于植物极。,二、细胞分化的机理,（一）细胞分裂的不对称性,动物卵细胞中贮存有,大量,mRNA,，呈非均匀分布,用转录抑制剂放线菌素,D,处理海胆受精卵，胚胎发育仍能进行至囊胚期,用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵，受精卵停止发育,卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运,昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞的。迁入卵的后端极质部的细胞发育为原始生殖细胞，用紫外线照射这一区域，破坏极质，卵将发育为无生殖细胞的不育个体,。,母系基因产物控制卵的不对称分裂,细胞的不对称分裂,使姐妹细胞产生了差异,在细胞分裂时一些重要的分子被不均等地分配到两个子细胞中,胚胎诱导,(embryonic induction),：胚胎发育过程中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。,诱导者,(inductor),：对其它细胞起诱导作用的细胞：,脊索可诱导其顶部外胚层发育成神经板，神经沟和神经管；,视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体，而晶体又可诱导外胚层形成角膜。,（二）细胞间的相互作用,诱导的相互作用可以在原本等同的细胞中建立起有序的差异,分化抑制,：,分化成熟的细胞可以产生抑素，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养蛙胚，则蛙胚不能发育出正常的心脏。,细胞数量效应,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。,细胞外基质的影响,干细胞在,IV,型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞；,在,I,型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞；,在,II,型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。,激素的作用,如昆虫的保幼激素和脱皮激素。,无论是母体mRNA的作用还是细胞间的相互作用，其结果是,启动特定基因的表达,。,根据对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明：,卵受精后，首先表达的是母体基因；母体基因的产物是转录因子，沿胚的前后轴形成一个浓度梯度，决定了胚的前后位置和头尾区域；控制其它基因的表达：,（三）基因与细胞分化,生物体细胞中含有决定生长分裂和分化的全部基因信息，按其与细胞分化的关系，可将这些基因分为两大类：,奢侈基因,和,管家基因,奢侈基因与管家基因,奢侈基因(luxury gene),：编码细胞特异性蛋白，与各种分化细胞的特定性状直接相关，这类基因对细胞自身生存无直接影响。,如编码红细胞血红蛋白，肌细胞的肌球蛋白和肌动蛋白等的基因属此类。,管家基因(house keeping gene),：,这类基因的表达产物为细胞生命活动持续需要和必不可少，但与细胞分化的关系不大，在细胞分化中只起协助作用。,如tRNA，rRNA基因，催化能量代谢的各种酶系，三羧酸循环中各种酶系等,从分子层次看，细胞分化主要是,奢侈基因,中,某种（或某些）特定基因选择性表达,的结果。,某些基因的选择性表达合成了执行特定功能的蛋白质，从而产生特定的分化细胞类型。,基因表达的时空特异性,阶段特异性（时间）,：,特定基因的表达按照,严格的时间顺序发生,组织特异性（空间）,：,同一基因产物在不同,的组织器官表达数量不同，不同的产物蛋白,又分布于不同的细胞或组织器官,在胚胎发育过程中，细胞基因组严格按时空顺序相继活化这一现象称为基因的,差异表达,（differential expression）或,顺序表达,（sequential expression）,从一个受精卵开始，在个体发育的过程中逐步分化产生各种细胞类型和组织，这种分化就是,不同特异性基因相继表达的结果,特异蛋白的选择性基因表达主要在转录水平进行,DNA,mRNA,多肽,转录,翻译,如果蝇和其他双翅目昆虫唾腺染色体所看到的膨松区的形成。,膨松区是基因的活化区，即正转录区域,。膨松区的位置和数目在相同发育阶段的同一类型细胞一致，但在不同类型的细胞中有区别，在不同的发育阶段也有明显变化。,用,32,P磷酸盐,分别掺入,前体细胞,和,原成红细胞,，若,珠蛋白基因,有表达，则DNA可转录有,32,P标记的RNA。当用克隆的胚胎型,样珠蛋白基因DNA探针与之杂交，发现在原成红细胞中有DNA-RNA杂交反应，而前体细胞中不发生杂交反应。,说明前体细胞的胚胎型珠蛋白基因处于休止状态，直至发育到原成红细胞时才被活化。表明,样珠蛋白基因,具有严格的,红系组织特异性,和,发育阶段专一性,特点。,特异基因的阶段性表达,一、DNA水平的调控,1,基因扩增,在生活史的某一段时间临时出现。,如非洲爪蟾在成熟过程中产生18S、28SrRNA的rDNA的选择性复制，使成熟卵细胞具有2,10,6,个DNA拷贝，与二倍体细胞（含有900个拷贝）相比，扩增1000倍。由于大量合成核糖体，在一个细胞核中甚至可出现1000个以上的核仁。,(四)细胞分化中基因表达的调控,2.DNA序列重排:,在人类基因组中，所有抗体的重链和,轻链都不是由一个完整的抗体基因编码的，而是由,不同基因片段经重组后形成的。,3.非组蛋白质:,特异的非组蛋白质可能决定相应的特定,基因的转录，,调节细胞中转录过程的因素是非组,蛋白质。,恒定区,可变区,重链,轻链,兔子胸腺和骨髓细胞的染色质重组实验,未分离的胸腺染色质合成胸腺mRNA。,未分离的骨髓染色质合成骨髓mRNA。,骨髓染色质的DNA、组蛋白和非组蛋白在试管中重,组后合成骨髓mRNA。,胸腺染色质的DNA、组蛋白和非组蛋白重组后合成,胸腺mRNA。,骨髓DNA和组蛋白与胸腺DNA和组蛋白混合在一,起，加入,胸腺非组蛋白时,，重组后合成,胸腺mRNA,，,若加入,骨髓非组蛋白,，则重组后合成,骨髓mRNA,。,4DNA甲基化,在,DNA,复制后，由甲基化酶将,S-,腺苷甲硫氨酸的,甲基转移到胞嘧啶的,5-C,上完成对碱基的修饰，,甲基化位置上可阻止转录因子与,DNA,结合,越是活跃的基因其甲基化程度越低，越不活跃,的基因甲基化程度越高,在发育过程中，当某些 基因表达完成后，,DNA,的甲基化可能参与了基因 的关闭过程,。,5-,氮胞苷培养小鼠成纤维细胞,处于休止状态的基因被重新激活而进行表达，甚至可观察到一部分细胞中与肌肉细胞发育有关的激活而表达，细胞彼此发生融合而发育成肌肉细胞,。,5-,氮胞苷进入细胞内转变为三磷酸,5-,氮胞苷，这种,5-,氮胞苷化的,DNA,由于不能被甲基化，结果使相关基因被重新激活,RNA,多肽,转录,翻译,DNA,（去甲基化）,（,5-氮胞苷）,甲基化,1核内RNA的选择加工,如用海胆囊胚的mRNA制成的cDNA探针，分别与原肠胚、肠和体腔细胞hnRNA杂交，结合率高达80，而与囊胚和肠细胞mRNA结合率则不同，前者为28，后者仅为10，说明不同组织中转录的hnRNA可以一致，但mRNA却不相同。,二、转录后水平的调控,2,转录后初级产物,RNA,的加工,如从大鼠甲状腺和脑下垂体细胞分离得到的同一初级转录物，通过不同的剪切与加工，可产生2种不同的成熟mRNA。在甲状腺C细胞中编码,降钙素,，而在脑下垂体和多种神经细胞中，则编码,降钙素基因相关蛋白,。,3.专一mRNA的降解,如哺乳动物成红细胞（erythroblast）的分化过程中，早期细胞合成若干种mRNA，其中少量的珠蛋白mRNA被保留，但到后期最后几次细胞分裂时，只有珠蛋白mRNA保留下来，其他种类的mRNA均被降解。,在黏菌发育过程中，如果黏菌在某一阶段停止发育，则会把准备用于下阶段的新mRNA降解。,基因表达过程中，一条合成的多肽链经翻译后加工产生多种不同活性的蛋白质或多肽。,如鸦片促黑皮质素(POMC)：结构上为,ACTH,，,促黑素细胞激素(MSH),，,内啡肽,脂酸动员激素(LPH),的前体。,三、翻译后水平的调控,（五）影响细胞分化的因素,一、细胞内因素,受精卵或动物早期胚胎细胞在分化过程中，因不同基因表达，产物不断加入,细胞质,，改变细胞质成分，使基因表达环境发生改变，细胞质反作用于,细胞核,，又使核内基因表达状态不断受到调节，细胞不断分化，发育，成熟，直至产生各种不同类型的细胞。,影响细胞分化的细胞外因素，包括,环境因素,，,胞外物质,（细胞的基质，黏附分子，细胞因子，激素等），以及,细胞之间的相互作用,二、细胞外因素,（一）环境因素,环境多种因素对机体的发育有一定的影响，如温度，光线等，这些因素可能是造成第一次不等卵裂，从而影响细胞分化的原因之一。,如豚鼠的孕期为68d，如果在妊娠1828d给母鼠增温度34 1小时，胎鼠脑重可减轻10。,（二）细胞间的相互作用,1诱导（induction）：,一部分细胞对邻近细胞产生影响，并决定邻近细胞分化方向及形态发生的过程。,2抑制（inhibition）：,指在胚胎发育中，已分化的细胞抑制邻近细胞进行相同分化而产生的负反馈调节作用。,如发育中的蛙胚置于含成体蛙心组织碎片的培养液中，胚胎不能产生正常的心脏；用含成体蛙脑组织碎片的培养液培养蛙胚，也不产生正常的脑，说明已分化的细胞可产生某种物质，抑制邻近细胞向相同方向分化。,3,细胞识别与黏合：,从受精、胚泡植入、形态发生、器官形成都与细胞识别与黏合息息相关,。,如将蝾螈的原肠胚三个胚层的游离细胞体外混合培养，各胚层细胞又将自我挑选，相互黏着，依然形成外胚层在外，内胚层在内，中胚层介于二者之间的胚胎。,细胞识别作用主要由位于细胞表面或嵌于质膜之中或结合于质膜上的,糖复合物,（糖蛋白，蛋白聚糖及糖脂）担任。,细胞间识别并黏合后，质膜各部分就紧密结合成细胞间传递离子、电荷及分子的通道。,（三）激素,激素由血液循环输送到不同部位决定靶细胞的分化，属远距离调节,。,如在昆虫变态中，幼虫的蜕变和化蛹受激素影响。脑激素是脑部产生的神经内分泌物质。若从已经成熟的幼虫中将脑取出，就不能化蛹。若将脑回植到体内，则此幼虫又恢复化蛹能力，推断脑激素实际是一种,促蜕皮激素,。而,保幼激素,则由咽侧体产生，能促进幼虫发育，但阻止变态。若将幼龄虫的咽侧体切除，则提前化蛹，变为成虫,。,