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第十二章 细胞分化 cell differentiation,一、概念 二、细胞分化的物质基础和特点 三、细胞分化的可逆性和全能性 四、细胞分化的实质 五、细胞分化的机理 六、影响细胞分化的因素 七、癌细胞,一、概念,细胞分化（cell differentiation）是一种类型的细胞在形态结构生理功能和生化特性等方面稳定地转变成另一类型细胞的过程。 黑色素细胞体外培养三十多代 多细胞生物中细胞分化发生于整个生活史中，但胚胎期是最重要的分化期 细胞分化发生于一切真核细胞中，并可追溯到原核细胞,二、细胞分化的物质基础和特点,(一)细胞分化的物质基础 新的性状=新的蛋白质 （二）细胞分化的特点 1、决定性 在能识别一个细胞的分化以前，就有了一个预先保证细胞怎样变化的时期，这个阶段称为细胞决定（cell determination）。 如动物受精卵的卵裂（动物极，植物极）,（1）细胞决定的稳定性和遗传性 成虫盘细胞 9年，1800代后,将成虫盘取出再移到幼虫体内，当幼虫变态时被移植的成虫盘细胞仍发育成相应的成体结构。,a、正常果蝇的触角为具芒触角；b、突变果蝇的触角发育为足 引自Lehninger Principles of Biochemistry 3rd ed.,（2）转决定（transdetermination） 即决定的细胞改变了原来的预定发育方向，使细胞分化的结果偏离决定方向，也就是从一种遗传状态转变成另一种遗传状态称为转决定 转决定的发生是遗传性突变的结果，它是一群细胞而不是单一细胞发生变化。 转决定的细胞：其它类型（同源异形）或原初状态的结构。,2、时空性 “时”=不同的发育阶段 “空”=环境 3、不可逆性 一个细胞一旦分化成稳定类型以后，就不能逆转到未分化状态。如哺乳动物高度分化的成熟红细胞不会再返回到有核的前体细胞。 有机体常保留一部分未分化的多能性干细胞，可用来弥补失去的可逆性，一旦需要，干细胞即进行分裂，新细胞按发育途径产生专一的分化细胞。,三、细胞分化的可逆性和全能性,细胞分化绝对是不可逆的？ 1958 Steward：,分化的细胞脱分化（dedifferentiation）胚性细胞的状态再分化（redifferentiation） 根茎完整植株，与胚胎发育过程相似。,细胞全能性（totipotency）指已经分化的细胞在一定条件下不仅能脱分化，而且还保持着全套基因组织，并且有再生生物体的遗传潜力。 1964年Guha等培养毛叶曼陀罗的花药产了单倍体花粉植物，动物细胞也能象植物细胞那样脱分化而再生新的肢体，如蝾螈在切除肢体后可再生。 (一)植物细胞全能性 已被广泛用于生产实践中，现已培养出一大批包括水稻、小麦、烟草、苗木、花卉等。,（二）动物细胞的全能性 受精卵能够分化出各种细胞、组织，形成一个完整的个体。随着分化发育的进程，细胞逐渐丧失其分化潜能。,细胞分化潜能 的改变,全能性（totipotent） 多能性（pluripotency) 单能性（monopotency) 终末分化（terminal differentiation),1全能性细胞 仅在低等动物中存在或高等动物在胚胎发育的早期。 2全能性细胞核 现在的技术手段还不能使已分化的高等动物细胞直接再生成完整个体，但许多研究证明已分化的细胞核仍保持着全套基因组并在一定条件下可具有全能性。,Gurdon（62，74，75）用非洲爪蟾为材料进行核移植，证明了已分化细胞核仍保持着全套的基因组。童第周1978曾报导将黑斑蛙的红细胞核移入去核的黑斑蛙的卵，核即分裂，卵发育成正常蝌蚪，血细胞核变成各种有功能的细胞核。,1997年克隆羊的诞生（Wilmut）说明高度分化的细胞核仍具有全能性 3不可逆的分化细胞 哺乳动物的红细胞成熟后失核，马副蛔虫体细胞染色体消减（染色体失去达80）等属此类。,具有相同基因组成的细胞为什么会出现不同的性状呢？ 肌细胞：收缩性蛋白质 红细胞：血红蛋白,四、细胞分化的实质,细胞分化归根到底在于特定基因的表达即细胞分化的实质（本质）是基因表达的调控问题。 differentiation Process usually involving changes in gene expression by which a precursor cell becomes a distinct specialized cell type,（一）基因的差次表达（differential expression，顺序表达sequential） 胚胎在发育过程中之所以相继出现新的细胞类型是由于有关的特定基因按照一定顺序相继活化的结果，这种现象称基因的差次表达。,（二）奢侈基因与管家基因 1奢侈基因（luxury gene） 指与各种分化的特殊性状有直接关系的基因，是编码组织特异性蛋白的基因，对细胞生存无多大影响。如血红蛋白、丝心蛋白的基因。其特点是： （1）在特定的分化细胞中表达； （2）只在特定的时间内表达； （3）对细胞的生存无直接影响； （4）对细胞的分化起决定性作用。,2管家基因（housekeeping gene） 指维持细胞最低限度的生命活动所不可缺少的基因，是细胞生存所必须的。如编码与细胞分裂及能量代谢有关的蛋白质的基因，其特点是： （1）所有细胞共有； （2）细胞周期的任何时期都表达； （3）对细胞分化只起协助作用。,管家基因与奢侈基因的拷贝数？ 重复基因（repeated or duplicated gene） 非重复基因（unrepeated or unique gene） 重复106以上称为高度重复，如随体DNA， 1025中度重复 rRNA、tRNA、5sRNA的基因。 非重复基因，重复次数102以下，如丝心蛋白的基因。 管家基因=中度重复；奢侈基因=非重复基因，但有例外如羽毛角蛋白的基因100240。,五、细胞分化的机理,（一）细胞分化与基因本身的变化 分化的细胞或核具有全能性 为何致癌病毒基因整合到宿主细胞引起细胞癌变，说明基因本身的变化与细胞分化有一定关系，现认为基因活性的变化与DNA的甲基化和DNA重排有关。,（二）转录水平的调节 转录控制(transcriptional control)是真核生物控制基因表达的重要调控方式，通过转录调控，使基因在不同组织中进行差异表达。 如何判断两种组织中差异蛋白的来源? 转录调控的实验证据：组织特异性mRNA。 1唾腺染色体 疏松区和Puff位置的变化说明细胞分化过程中染色体的基因按照一定顺序进行差次表达，什么因素导致基因的开关转录出不同的mRNA？,2染色质重组实验 Gilmour和paul取兔子胸腺和骨髓细胞的染色质分别分离出DNA、非组Pr和组Pr，用重组的染色质作模板，加入RNA聚合酶和各种前体核苷酸就可合成RNA,结果如下： （1）未分离的胸腺染色质能合成胸腺mRNA （2）未分离的骨髓染色质能合成骨髓mRNA （3）重组的胸腺染色质能合成胸腺mRNA （4）重组的骨髓染色质能合成骨髓mRNA （5）骨髓DNA组Pr胸腺DNA组Pr胸腺非组蛋白重组后合成胸腺mRNA （6）骨髓DNA组Pr胸腺DNA组Pr骨髓非组蛋白重组后合成骨髓mRNA,染色体重组实验表明，非组蛋白与基因选择性表达的调节密切相关，特异的非组Pr可能决定相应的特定基因的转录，即调节转录过程中的调控因素是非组Pr。 但也有人证明mRNA是基因表达的激活因素（牛满江1970，孵化1618小时的鸡胚切成两半，放在生理盐水中或心脏的mRNA中浸泡后培养，发现在生理盐水中浸泡过的鸡胚发育正常，而心脏mRNA浸过的心脏发育特大，而其它均发育不良，故牛满江认为心脏的mRNA激活了心肌的基因表达）。,3.组蛋白转移模型（histone displacement model） Stein 1975年提出组蛋白转移模型：组蛋白与DNA链结合，抑制转录，非组蛋白在一定的部位与DNA结合，它发生磷酸化带上负电荷，即与带正电荷的组蛋白牢固结合而使DNA裸露（结合物从DNA上离开）使此部位DNA发生转录。,组蛋白能使基因的转录过程关闭，而非组蛋白则能有选择地使基因的转录过程打开。,这只是大概的认识有许多细节不能解释清楚：如非组蛋白种类很多，那种非组蛋白调节哪种基因的转录？组蛋白被包围在核小体内在转录时怎样使其脱离？而非组蛋白也是受基因编码的，其调节如何都有待进一步研究。,（三）转录后调控 转录后调控指mRNA的后加工及其降解。 1简单的转录本的加工 2复杂的转录本的加工,（四）翻译（转译）水平的调节 细胞质中进行的转译水平的调控包括:mRNA稳定性的控制、翻译起始的控制、翻译效率、差别翻译等。 对于翻译水平的调节目前有的实验表明分化细胞内并无专门调节mRNA翻译的机制，而有些实验则揭示存在翻译水平的调节。,1Gurdon（1971）把兔、小鼠、鸭等的血红蛋白mRNA及牛晶体蛋白mRNA分别注入非洲爪蟾的卵母细胞中，结果这些异体mRNA都很稳定并翻译成相应的Pr，说明非洲爪蟾卵母细胞的转译机构无特异性。,2Woodland（1974）把兔、小鼠的血红蛋白的mRNA注射到非洲爪蟾的受精卵，发现这些mRNA稳定，并在第八天（蝌蚪期）发现有兔、小鼠的血红蛋白，它存在于蝌蚪的任一组织内，包括肌肉。说明异源mRNA稳定并在分化的细胞中也可表达，这说明分化细胞内并无专门控制某种mRNA转译的机制。,3童第周和牛满江（1975） 鲫金鱼 鲤金鱼,4翻译效率 兔红细胞前体中提取mRNA，它们含有大量的、链合成的mRNA，注入蛙卵母细胞，链合成约为链5倍（5:1）似乎在卵蛙母细胞中mRNA转译效率高，可是把血红素一块注射蛙卵母细胞中，、产量相同.说明血红素可能通过影响转译的速度而对基因表达进行某种调控。 5卵母细胞的翻译调控 在许多脊椎动物和无脊椎动物的未受精卵细胞质中贮存许多mRNA，但它们大部分不用来翻译，只有受精后才能翻译。,受精引起新的mRNA合成?,放线菌素D(actinomycin D)=RNA合成抑制剂,关于其活化机理推测是受精前被蛋白质遮盖或局限在某特定部位不转译，受精后摆脱束缚才转译。这些贮存在卵母细胞中没有翻译活性的mRNA常被称作“隐蔽” mRNA(masked mRNA)，受精后mRNA从无活性到有活性状态的转变发生相当快。 这些预存mRNA的激活与两个不同的事件有关：一是结合的抑制蛋白被释放，二是通过卵细胞质中一种酶的作用使mRNA多聚(A)尾巴长度增加。,（五）翻译后调控 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(pro-opiomelanocortin POMC)的合成就是一例,一、概念 二、细胞分化的物质基础和特点 基础是新的蛋白质的产生 特点是（1）决定性（2）时空性（3）不可逆性 三、细胞分化的可逆性和全能性 四、细胞分化的实质 奢侈基因的表达 五、细胞分化的机理 5层次或者说3水平,课后阅读资料： 1.克隆羊多莉前世今生 2.世界上首只克隆羊多利被执行“安乐死” 3.Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells. Wilmut I, Schnieke AE, McWhir J, Kind AJ, Campbell KH. Nature. 1997 Feb 27;385 (6619) :810-3. 4.真核基因表达调控 (修订版) 沈珝琲 方福德 主编 北京高等教育出版社 1997 1999年全国优秀科技图书暨科技进步一等奖 思考题：克隆羊的诞生涉及细胞生物学的哪些技术？它为何早衰？,