1、第十四部分細胞分化教學課程不同生物具有不同的發育模式，但都涉及：細胞增殖細胞分化細胞間的相互作用。細胞分化（differentiation）是指細胞后代在形態、結構和功能上發生差異的過程。第一節 細胞分化的特點一、細胞的分化潛能細胞分化能力的強弱稱為分化潛能。動物受精卵的分化潛能稱為全能性。干細胞：有分化潛能的動物細胞。分為：全能干細胞、多能干細胞、單能干細胞。單能干細胞只能分化為一種類型的細胞，也稱為祖細胞，自我更新能力有限。Fertilized ovum has totipotencyWell differentiated plant cells keep their totipotenc

2、yStrachan T, Read A 2003干細胞的特征：終生保持未分化或低分化特征；在機體的中的數目、位置相對恒定；具有自我更新能力；能無限制的分裂增殖；具有多向分化潛能；分裂的慢周期性，絕大多數處于G0期；可行不對稱分裂。根據個體發育過程中出現的次序，干細胞又可分為胚胎干細胞和成體干細胞。胚胎干細胞（ESC）是從胚胎內細胞團或原始生殖細胞篩選分離出的具有多能性或全能性的細胞。ESC的用途主要有：動物克隆；動物轉基因；組織工程。二、細胞分化的特點1. 時空性細胞分化的實質是在細胞質（信號系統）和細胞核（基因組）共同作用下，選擇性地表達特定的基因，稱為差別基因表達。已分化細胞的胞質RNA與

3、核DNA雜交率低于10。細胞表達的基因分為：管家基因、組織特異性基因或奢侈基因。高度分化的動物細胞也具有完整的基因組。證明方法：原位雜交、核移植。Briggs和King（1952，1960），豹蛙（Rana pipiens）核移植。Gurdon等（1975），成蛙蹼上皮細胞核移植。童第周等20世紀60年代，魚類核移植。Ian Wilmut（1997）克隆Do11y sheeep。2.定向性隨著細胞的分裂和分化，發育方向逐漸被限定，稱為決定（determination）。決定意味著基因活動模式改變。例：哺乳動物桑椹胚的內細胞團和外圍細胞，前者形成胚胎、后者形成滋養層。無脊椎動物早期的卵裂球已經決

4、定，每個卵裂球只能形成身體的一部分。3. 穩定性動物細胞發生分化之后，其遺傳表型保持穩定，通常是不可逆的。例：果蠅幼蟲的成蟲盤移植到成蟲體內不發生細胞分化，可繼續增殖或移植。如將其再移植回變態期幼蟲體內則又能按原來已決定的命運分化。4. 條件可逆性在特定條件下，分化細胞的基因活動模式可發生可逆的變化，又回到未分化狀態，稱為去分化。例1：植物愈傷組織。例2： 果蠅觸角成蟲盤經多次移植后，部分成蟲盤可分化為成體的腿、翅或口器，這種現象稱為轉決定。5. 普遍性個體一生中都進行著細胞分化。干細胞是細胞更新和組織修復的基礎。一種組織的成體干細胞傾向于分化成該組織的各種細胞，但特定條件下，可分化成其它組織

5、的功能細胞，稱為轉分化或橫向分化。高度分化的細胞不再分裂，對電離輻射敏感性低，而各種干細胞則不然。三、細胞分化和增殖的關系增殖信號和分化信號同時作用于干細胞，表現為邊分化邊增殖（反之亦然）；增殖和分化分別獨立進行，一些干細胞只增殖不分化，另一些同類干細胞進入終末分化；細胞分化與分裂平行進行，干細胞進行不對稱分裂，產生的子細胞一個保持原有干細胞特性，一個則進入終末分化。第二節 細胞分化的主要機制autonomous mechanism：胚胎發育的早期細胞分裂由受精卵中的細胞質控制，不涉及細胞通信。inductive mechanism：隨著胚胎發育的進行細胞之間主要通過信號系統協調分裂、分化和細

6、胞的行為，稱為。細胞的分化命運主要取決于：細胞的內部特性，外部環境。卵細胞具有極性，細胞核靠近北極。卵細胞中貯存有大量mRNA，是母源基因的產物，維持卵細胞和早期胚胎代謝；呈非均勻分布，決定胚胎發育的圖式（pattern）。合子基因在卵裂后期才發揮作用。一、細胞分裂的不對稱性用放線菌素D處理海膽受精卵，胚胎發育能進行至囊胚期；嘌呤霉素處理，受精卵停止發育。果蠅母源基因在滋養細胞中轉錄后，輸入卵細胞，沿微管轉運到特定部位。基因產物沿卵的前后和背腹軸形成濃度梯度，決定胚胎形態，稱為成形素（morphogen）。卵裂后的細胞質特性決定了子細胞的分化命運。二、誘導機制誘導（induction）是一部分

7、細胞誘導其它細胞向特定方向分化的現象，也叫胚胎誘導。對其它細胞起誘導作用的細胞稱誘導者(inductor)，如脊索可誘導其頂部的外胚層發育成神經板，神經溝和神經管。響應誘導信號的同類細胞叫做形態發生場。三、分化抑制分化成熟的細胞可以產生“抑素”，抑制相鄰細胞發生同樣的分化。如含有成蛙心組織的培養液培養蛙胚，則蛙胚不能發育出正常的心臟。“抑素” 是TGF-家族的成員。如 myostatin是肌肉生長的負調控因子， GDF11（Wu等2003）通過上調細胞周期抑制因子p27抑制神經組織生長。Mouse myostatin mutant (right)Double-muscled mouseFunc

8、tion of the myostainThe so called chalone is the protein belonging to TGF- family, such as myostainBelgian Blue bullDouble-muscled cattle四、細胞數量效應例1. 小鼠胚胎胰腺原基在體外培養，可發育成胰腺組織，如切成8小塊分別培養，則不能。再把分開的小塊合起來，又可形成胰腺組織。例2. Fisher（1967）將大量腫瘤細胞注射到小鼠肝臟門靜脈，小鼠很快死于腫瘤。只注射50個腫瘤細胞時，小鼠正常生存，手術檢查未發現任何腫瘤。術后關腹飼養，發現小鼠很快死于肝腫瘤。

9、五、細胞外基質的影響ECM能與細胞表面的整合素相互作用，激活粘著斑激酶（FAK），FAK可以通過接頭蛋白Grb2啟動Ras信號途徑，引起細胞增殖。干細胞在IV型膠原和層粘連蛋白上形成上皮細胞；在I型膠原和纖粘連蛋白上分化為成纖維細胞；在II型膠原及軟骨粘連蛋白上發育為軟骨細胞。六、激素的作用例1. 哺乳動物雄性激素促進烏爾夫氏管，抑制繆勒氏管的發育，摘除胚胎睪丸，則促進謬勒氏管的發育，形成雌性生殖管道。例2. 昆蟲的保幼激素和脫皮激素，兩者保持一定的比例時，幼蟲脫皮而長大；當保幼激素含量減少時，幼蟲化蛹，成蟲器官發育。成蟲期又開始合成保幼激素，促進性腺發育。七、細胞核與細胞分化（一）染色體結構

10、的變化1. 基因刪除：原生動物、節肢動物。2 . 基因擴增：多線染色體、爪蟾卵母細胞rDNA。3 . 基因重排：如Ig基因(106108種抗體)。4 . DNA甲基化與異染色質化：基因失活。5. 基因印跡Genomic imprinting，特點：性別特異，同一等位基因僅表達父或母本基因；印跡發生于配子形成過程中；在胚胎的有絲分裂中能穩定傳遞給子細胞；遺傳給下一代時消除上一代遺傳的印跡，建立新的與性別有關的印跡。印跡基因的形成可能與差別修飾有關，如染色體特異性CpG島的甲基化作用。甲基轉移酶純和缺失的小鼠H19、IGF2及IGF2R印跡基因表達異常。父源表達和母源表達的印跡基因對胚胎發育的影響

11、不同。例.葡萄胎（hydatidiform mole）父本印跡；卵巢畸胎瘤（ovarian teratoma） 母本印跡。（二）基因對果蠅的胚胎早期發育的調控調控基因：母源基因，分節基因和同源異形基因（homeotic gene，hox）。母源基因的產物是轉錄因子，控制其它基因表達。前部系統，Bicoid（bcd）后部系統， Nanos（nos）末端系統，Torso（tor）背腹系統，背Dorsal（dl），腹cactus（cat）合子基因：分節基因、同源異形基因。分節基因：控制胚胎分節，分為：間隙基因、對控基因、體節極性基因。間隙基因，產物將胚分為相當于3個體節的區域。對控基因，將間隙基因分

12、成的區域劃分為體節。體節極性基因，在每個體節的前、后部細胞中表達，激活HOX基因，以形成和維持體節結構。HOX基因，決定每一體節的性質與形態特征。HOX的產物含含螺旋-環-螺旋結構，基因突變會引起同源形態結構變異。特點：1）基因呈簇存在，形成連鎖群；2）DNA序列相似；3）進化上高度保守；4）基因表達程序化：5端的基因表達空間靠近胚胎尾部區域；反之，靠近胚胎前部區域。例：缺趾小鼠（Hoxa-13基因的雜合）、果蠅突變型。HOX mutantAntenna legBithorax mutant八、同工結構的變化同工置換：在某一特定時期，一種細胞或分子被另一種相似、而能更好適應環境的同工型取代。例，哺乳動物個體發育中：有核紅細胞無核紅細胞透明軟骨長骨恒齒乳齒血紅蛋白從胚胎型、胎兒型到成年型過渡。九、成體中的