细胞生物学11细胞分化课件

细胞分化细胞分化 Cell Differentiation北京大学基础医学院北京大学基础医学院细胞生物学系细胞生物学系细胞分化 Cell Differentiation内容要求内容要求n n掌握细胞分化的概念、指标及特点n n掌握细胞分化潜能的类型n n掌握细胞决定的概念内容要求掌握细胞分化的概念、指标及特点n n熟悉细胞分化的调节机制n n熟悉细胞分化的影响因素n n了解细胞分化与肿瘤之间的关系n n了解胚胎早期发育的过程熟悉细胞分化的调节机制背背 景景n n人用肉眼只能分辨相距人用肉眼只能分辨相距0.1-0.2mm0.1-0.2mm之间的两个物之间的两个物体体n n16651665年，英国科学家年，英国科学家HookeHooke利用光学显微镜观察利用光学显微镜观察到植物细胞壁；到植物细胞壁；16771677年，荷兰科学家观察到人和年，荷兰科学家观察到人和哺乳动物的细胞。光学显微镜的分辨率为哺乳动物的细胞。光学显微镜的分辨率为0.2um0.2umn n19311931年，诞生了第一台电子显微镜。目前电子显年，诞生了第一台电子显微镜。目前电子显微镜的分辨率可达到微镜的分辨率可达到1010-1010um um 背 景人用肉眼只能分辨相距0.1-0.2mm之间的两个细胞生物学11细胞分化课件生物体生物体生物体生物体(多个、多种细胞多个、多种细胞多个、多种细胞多个、多种细胞)受精卵受精卵受精卵受精卵(单细胞单细胞单细胞单细胞)细胞生长、增殖细胞生长、增殖细胞生长、增殖细胞生长、增殖细胞分化细胞分化细胞分化细胞分化细胞体积增大、数量增加细胞体积增大、数量增加细胞体积增大、数量增加细胞体积增大、数量增加形成不同类型细胞形成不同类型细胞形成不同类型细胞形成不同类型细胞生物体(多个、多种细胞)受精卵(单细胞)细胞生长、增殖细胞分实验路线实验路线 模式生物基因敲除基因敲除 自体自体/异体移植异体移植 基因导入基因导入观察、分析现象，找出规律观察、分析现象，找出规律利用手术或药物干扰动物的发育，从所导致的异常结果来 推断正常的作用性质是阐明发育机制的主要途径。实验路线 细胞生物学11细胞分化课件模式生物模式生物无脊椎动物：果蝇：易繁殖、成本低廉果蝇：易繁殖、成本低廉线虫：秀丽隐杆线虫线虫：秀丽隐杆线虫-生命周期仅生命周期仅2.52.5天、细胞数天、细胞数目少易目少易于追踪。于追踪。脊椎动物：两栖类：非洲爪蟾、蝾螈、蜥蜴两栖类：非洲爪蟾、蝾螈、蜥蜴-取卵方便取卵方便鱼类：斑马鱼鱼类：斑马鱼-世代周期短（世代周期短（3 3个月）、胚胎透明个月）、胚胎透明鸟类：鸡鸟类：鸡-胚胎发育与哺乳动物接近、鸡胚在体外胚胎发育与哺乳动物接近、鸡胚在体外发育发育哺乳类：小鼠哺乳类：小鼠-胚胎发育与人类接近，世代周期仅胚胎发育与人类接近，世代周期仅2 2个月个月模式生物无脊椎动物：哺乳动物早期发育期间细胞分化的主要阶段哺乳动物早期发育期间细胞分化的主要阶段受精卵受精卵桑椹胚桑椹胚囊胚囊胚内细胞团内细胞团上皮滋养层上皮滋养层神经沟神经沟外胚层外胚层中胚层中胚层脊索脊索内胚层内胚层三胚层胚胎三胚层胚胎哺乳动物早期发育期间细胞分化的主要阶段受精卵桑椹胚囊胚内细胞基本概念基本概念桑椹胚：在8细胞时期胚胎发生紧密化，形成一个实心的球体。紧密化后的胚胎至32细胞时期称为桑椹胚。基本概念基本概念基本概念 囊胚（胚泡）：卵裂后期，桑椹胚体积进一步增大，外周细胞分裂较快形成囊胚壁，称滋养层；内部细胞分裂较慢，形成内细胞团，中间出现囊腔，称囊胚腔。此时的胚胎称为囊胚或胚泡。基本概念基本概念基本概念 原肠作用：胚胎细胞通过剧烈而又有序的运动，使囊胚细胞重新组合，形成三胚层胚胎结构的过程。基本概念受精卵受精卵受精卵受精卵桑椹期桑椹期桑椹期桑椹期内细胞团内细胞团内细胞团内细胞团滋养外胚层滋养外胚层滋养外胚层滋养外胚层外胚层（神经、表皮）外胚层（神经、表皮）外胚层（神经、表皮）外胚层（神经、表皮）中胚层（脊索、血细胞、肌肉）中胚层（脊索、血细胞、肌肉）中胚层（脊索、血细胞、肌肉）中胚层（脊索、血细胞、肌肉）内胚层（消化道、肝脏、胰腺）内胚层（消化道、肝脏、胰腺）内胚层（消化道、肝脏、胰腺）内胚层（消化道、肝脏、胰腺）胎盘胎盘胎盘胎盘ESES细胞细胞细胞细胞胚胎细胞的分化胚胎细胞的分化细胞分化与个体发育受精卵桑椹期内细胞团滋养外胚层外胚层（神经、表皮）中胚层（脊第一节、概第一节、概 述述第一节、概 述(一一一一)细胞分化的概念细胞分化的概念细胞分化的概念细胞分化的概念nn一般概念：一般概念：细细胞胞分分化化是是指指同同一一来来源源的的细细胞胞通通过过分分裂裂逐逐渐渐产产生生结结构构和和功功能能上上稳稳定定性性差异的过程。差异的过程。(一)细胞分化的概念 nn分子水平概念：分子水平概念：细细胞胞分分化化是是基基因因选选择择性性表表达达的的结结果果，表表现现为为不不同同类类型型的的细细胞胞合合成成出出不不同同的的特异性蛋白质。特异性蛋白质。例如例如:n nn红细胞红细胞红细胞-血红蛋白血红蛋白血红蛋白n nn肌细胞肌细胞肌细胞-肌动蛋白和肌球蛋白肌动蛋白和肌球蛋白肌动蛋白和肌球蛋白n nn浆细胞浆细胞浆细胞-抗体抗体抗体 分子水平概念：基因差异表达基因差异表达基因差异表达(二二二二)细胞分化的指标细胞分化的指标细胞分化的指标细胞分化的指标n nn三大指标：三大指标：形态结构、生化特性形态结构、生化特性和和生理机能生理机能n nn成熟的红细胞：成熟的红细胞：成熟的红细胞：n nn中间凹陷、圆盘状、无核中间凹陷、圆盘状、无核中间凹陷、圆盘状、无核n nn产生血红蛋白产生血红蛋白产生血红蛋白n nn能携带氧和二氧化碳能携带氧和二氧化碳能携带氧和二氧化碳n nn肌细胞：肌细胞：肌细胞：n nn梭形梭形梭形n nn产生收缩蛋白产生收缩蛋白产生收缩蛋白(肌动蛋白和肌球蛋白肌动蛋白和肌球蛋白肌动蛋白和肌球蛋白)n nn能收缩能收缩能收缩(二)细胞分化的指标三大指标：形态结构、生化特性和生理机能小肠上皮细胞小肠上皮细胞红细胞红细胞成纤维细胞成纤维细胞不同类型细胞形态各异（扫描电镜图）不同类型细胞形态各异（扫描电镜图）小肠上皮细胞红细胞成纤维细胞不同类型细胞形态各异（扫描电镜图(三三三三)细胞分化的特点细胞分化的特点细胞分化的特点细胞分化的特点1.1.稳定性稳定性 细细细胞胞胞一一一旦旦旦受受受到到到某某某种种种刺刺刺激激激、开开开始始始向向向某某某一一一方方方向向向分分分化化化后后后，即即即使使使引引引起起起细细细胞胞胞分分分化化化的的的因因因素素素不不不再再再存存存在在在，分分分化化化仍仍仍然然然继继继续续续进进进行行行，不不不会会会自自自发发发地地地逆逆逆转转转到到到未未未分分分化状态。化状态。化状态。分化过程基本上是不可逆的，导致个体分化过程基本上是不可逆的，导致个体分化过程基本上是不可逆的，导致个体发育的不可逆性。发育的不可逆性。发育的不可逆性。增殖、分化增殖、分化增殖、分化增殖、分化发育发育发育发育衰老衰老衰老衰老受精卵受精卵受精卵受精卵胚胎胚胎胚胎胚胎成体成体成体成体死亡死亡死亡死亡(三)细胞分化的特点稳定性增殖、分化发育衰老受精卵胚胎成体2.2.可逆性可逆性：在一定条件下，细胞分化又是可逆的。在一定条件下，细胞分化又是可逆的。2.可逆性：野生胡萝卜植株实验野生胡萝卜植株实验非洲爪蟾的核移植实验非洲爪蟾的核移植实验克隆羊实验克隆羊实验证明高度分化的哺乳动物体证明高度分化的哺乳动物体细胞核也具有发育全能性。细胞核也具有发育全能性。克隆羊克隆羊克隆羊 DollyDollyDolly克隆羊实验证明高度分化的哺乳动物体细胞核也具有发育全能性。克隆羊实验克隆羊实验第二节、细胞分化潜能第二节、细胞分化潜能第二节、细胞分化潜能全能细胞全能细胞（totipotent celltotipotent cell）：）：在一定条件下，有能力重在一定条件下，有能力重新形成完整的个体或者分化形成该个体新形成完整的个体或者分化形成该个体任何种类的细胞。任何种类的细胞。胚胎细胞的分化潜能胚胎细胞的分化潜能全能细胞（totipotent cell）：胚胎细胞的分化潜多能细胞多能细胞 (pluripotent cell)(pluripotent cell)：发生潜能上出现一定的局发生潜能上出现一定的局限性，只具有演变为多种细胞类型的能限性，只具有演变为多种细胞类型的能力，这种细胞称为多能细胞。力，这种细胞称为多能细胞。胚胎细胞的分化潜能胚胎细胞的分化潜能胚胎细胞的分化潜能单能细胞单能细胞(unipotent cell)(unipotent cell)：仅具有分化形成某一种类型仅具有分化形成某一种类型能力的细胞被称为单能细胞。能力的细胞被称为单能细胞。胚胎细胞的分化潜能胚胎细胞的分化潜能胚胎细胞的分化潜能普遍规律：普遍规律：在胚胎发育过程中，细胞分化潜能具有逐渐由全能转变为多能，最后趋向于单能的分化趋势。普遍规律：细胞决定细胞决定(Cell Determination)：细胞在出现特异形态特征之前已经确定了未来发育方向的能力。细胞决定(Cell Determination)：移植实验显示细胞的决定状态移植实验显示细胞的决定状态原肠胚早期预定发育为表皮组织的区域移植至另一胚胎预定发育为脑组织的区域，供体表皮细胞在受体胚胎中将发育为脑组织；原肠胚晚期预定发育为表皮组织的区域移植至另一胚胎预定发育为脑组织的区域，供体表皮细胞在受体胚胎中将发育为表皮。移植实验显示细胞的决定状态原肠胚早期预定发育为表皮组织的区域细胞生物学11细胞分化课件 成虫盘(器官芽):成虫盘是幼虫体内处于未分化状态的细胞团，变态后由成虫盘产生相应的腿、翅、触角等成体的不同结构，他们是预先向某种特定类型分化的已决定的细胞团。成虫盘(器官芽):果蝇成虫盘（imaginal disc）果蝇成虫盘（imaginal disc）细胞生物学11细胞分化课件胚胎细胞分化潜能的决定胚胎细胞分化潜能的决定 细胞区域决定：细胞在分化成一种细胞类型之前，细胞已经具有了分化成与该细胞所在位置类型相同细胞的能力。胚胎细胞分化潜能的决定小鸡胚胎翅芽嫁接实验显示区域决定小鸡胚胎翅芽嫁接实验显示区域决定早期的腿芽细胞已经具有了腿的决定，但没有不可逆的定向为腿的特定部分；最终定向为何种组织和器官与最终发育时的位置有关。小鸡胚胎翅芽嫁接实验显示区域决定早期的腿芽细胞已经具有了腿的第三节、细胞分化的调节机制第三节、细胞分化的调节机制第三节、细胞分化的调节机制基因组基因组基因组基因组基因组基因组DNADNADNA转录转录转录转录转录转录primary RNAprimary RNAprimary RNA剪接剪接剪接剪接剪接剪接mRNAmRNAmRNA穿过核膜穿过核膜穿过核膜穿过核膜穿过核膜穿过核膜翻译翻译翻译翻译翻译翻译降解降解降解降解降解降解蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质基因组DNA转录primary RNA剪接mRNA穿过核膜翻n nn转录水平的调控转录水平的调控n nn翻译水平的调控翻译水平的调控细胞分化基因表达的调控细胞分化基因表达的调控转录水平的调控细胞分化基因表达的调控基因功能分类：n n管家基因(house keeping gene)：维持细胞基本活动所必需的结构与功能蛋白质的编码基因。n n奢侈基因(luxury gene)：细胞特异性蛋白质编码基因，对细胞分化起重要作用，对细胞的生存无直接影响。基因功能分类：组合调控：一组调节蛋白对某一基因表达共同协调的调节方式。组合调控：组合调控对细胞分化的作用组合调控对细胞分化的作用组合调控在器官发育中的作用组合调控在器官发育中的作用 RNA RNA的差异：的差异：杂交实验检测杂交实验检测primary RNAprimary RNA是否具有组织特异性。是否具有组织特异性。n nn从从从肝肝肝细细细胞胞胞cDNAcDNAcDNA文文文库库库中中中任任任选选选151515个个个克克克隆隆隆(每每每个个个克克克隆隆隆含含含一一一个个个基基基因因因)，分分分别别别与与与提提提取取取的的的肝肝肝、肾肾肾、脑脑脑组组组织织织primary primary primary RNARNARNA杂交，检测其是否能够杂交配对。杂交，检测其是否能够杂交配对。杂交，检测其是否能够杂交配对。n nn结结结 果果果：肝肝肝 primary primary primary RNARNARNA与与与 151515个个个 克克克 隆隆隆 均均均 杂杂杂 交交交，而而而 能与肾、脑能与肾、脑能与肾、脑primary RNAprimary RNAprimary RNA杂交克隆数明显减少。杂交克隆数明显减少。杂交克隆数明显减少。RNA的差异：第四节、细胞分化的影响因素第四节、细胞分化的影响因素第四节、细胞分化的影响因素影响细胞分化的因素影响细胞分化的因素n n不对称分裂n n细胞间的相互诱导n n相邻细胞的侧向抑制n n信号分子的梯度效应n n细胞的内在程序影响细胞分化的因素不对称分裂（一）不对称分裂（一）不对称分裂 不对称分裂会造成两个子细胞的不同，一些重要的分子（决定子）在分裂时不均等的被分配到两个子细胞中；决定子：卵裂时，受精卵的细胞质物质在子细胞中的分配是不均匀的，这些特殊细胞质组分被称为决定子。（一）不对称分裂 不对称分裂会造成两个不对称分裂不对称分裂n n存在于细胞质中不对称分配的分子直接或间接的改变所在子细胞基因表达的格局；n n含有生殖细胞决定子的细胞将来发育为生殖细胞；不对称分裂细胞生物学11细胞分化课件（二）细胞间相互诱导（二）细胞间相互诱导 诱导式相互作用（inductive interaction）:胚胎细胞发育过程中，相邻细胞的信号使群体内的一个或多个细胞性状发生改变，这种过程被称为诱导式相互作用。（二）细胞间相互诱导 诱导式相互作用（inductive 细胞生物学11细胞分化课件细细胞胞间间相相互互诱诱导导 诱导式相互作用n n特点：诱导式相互作用具有时间和空间的限制。n n举例：中胚层脊索诱导外胚层分化为神经管。细胞间相互诱导 诱导式相互作用胚胎细胞间的多级相互诱导胚胎细胞间的多级相互诱导n n初级诱导：神经管形成脑的部位诱导两侧形成视环n n次级诱导：视环再诱导紧邻外胚层细胞分化为晶状体n n三次诱导：晶状体诱导表面上皮细胞分化为透明角膜胚胎细胞间的多级相互诱导初级诱导：胚胎细胞间的多级相互诱导胚胎细胞间的多级相互诱导 依次诱导（sequential induction）：这种渐进性的产生更复杂格局的策略被称为依次诱导。发育动物主要通过这种方式规划身体，在最初构划出大致轮廓后，随发育的过程，一次又一次的精雕细琢。胚胎细胞间的多级相互诱导5 56 6天胚龄鸡胚眼部结构电镜扫描图天胚龄鸡胚眼部结构电镜扫描图天胚龄鸡胚眼部结构电镜扫描图天胚龄鸡胚眼部结构电镜扫描图56天胚龄鸡胚眼部结构电镜扫描图（三）相邻细胞的侧向抑制（三）相邻细胞的侧向抑制侧向抑制（lateral inhibition）：经过细胞间的相互诱导，一群细胞中的一部分细胞被诱导成不同的细胞之后，获得了与周围细胞不同的性状，同时向邻近的细胞传递一种信号，阻止他们成为与自己一样的细胞，这种现象被称为侧向抑制。（三）相邻细胞的侧向抑制侧向抑制（lateral inhi相邻细胞的侧向抑制相邻细胞的侧向抑制实验举例：发育中的蛙胚置于含成体蛙心碎片的培养液中，胚胎发育中的蛙胚置于含成体蛙心碎片的培养液中，胚胎不能产生正常的心脏。不能产生正常的心脏。发育中的蛙胚置于含成体蛙脑碎片的培养液中，胚胎发育中的蛙胚置于含成体蛙脑碎片的培养液中，胚胎不能产生正常的脑。不能产生正常的脑。相邻细胞的侧向抑制实验举例：（四四）信信号号分分子子的的梯梯度度效效应应n n梯度效应：不同浓度的信号分子可使细胞进入不同的分化途径。这种效应称为梯度效应。n n实验举例：胚胎肢芽一侧的特化细胞分泌一种信号分子，扩散后形成梯度，控制肢芽拇指到小指细胞的分化。（四）信号分子的梯度效应梯度效应：细胞生物学11细胞分化课件（五）细胞的内在程序（五）细胞的内在程序n n细胞的内在程序：细胞改变性状是细胞内在控制的，不细胞改变性状是细胞内在控制的，不需要诱导信号触发。需要诱导信号触发。n n实验举例：出生出生7 7天的小鼠眼神经胶质祖细胞在恒天的小鼠眼神经胶质祖细胞在恒定的环境中培养，定的环境中培养，8 8个分裂周期后将分化为少突神个分裂周期后将分化为少突神经胶质细胞。这与其在胚胎中发育的时间相同。经胶质细胞。这与其在胚胎中发育的时间相同。（五）细胞的内在程序细胞的内在程序：第五节、细胞分化与肿瘤第五节、细胞分化与肿瘤第五节、细胞分化与肿瘤n nn肿瘤细胞是肿瘤细胞是异常分化的异常分化的细胞。细胞。n nn个体发育是细胞个体发育是细胞有控生长有控生长与与逐步分化逐步分化的结果，的结果，而肿瘤则是而肿瘤则是生长失控生长失控与与去分化去分化的结果。的结果。细胞分化与肿瘤肿瘤细胞是异常分化的细胞。细胞分化与肿瘤癌癌角质层角质层生发层生发层基膜基膜血管血管转移转移癌角质层生发层基膜血管转移肿瘤生成与基因表达肿瘤生成与基因表达n n基因编码错误n n抑癌基因抑制n n原癌基因激活肿瘤生成与基因表达基因编码错误 以以药药物物或或生生物物制制剂剂控控制制细细胞胞分分化化和和增增殖殖是是肿肿瘤瘤治治疗疗的的主主要要方方向向。目目前前，利利用用分分化化诱诱导导剂剂诱诱导导肿肿瘤瘤细细胞胞分分化已作为肿瘤治疗的一种辅助疗法。化已作为肿瘤治疗的一种辅助疗法。细胞分化与肿瘤治疗细胞分化与肿瘤治疗内容回顾内容回顾n n掌握细胞分化的概念、指标及特点n n掌握细胞分化潜能的类型n n掌握细胞决定的概念n n熟悉影响细胞分化的因素内容回顾掌握细胞分化的概念、指标及特点参考书参考书n n医学细胞生物学（第二版）医学细胞生物学（第二版）北京大学医学出版社北京大学医学出版社周柔丽主编周柔丽主编n n医学细胞生物学（第一版）医学细胞生物学（第一版）科学出版社科学出版社汤雪明主编汤雪明主编n n医学细胞生物学（第一版）医学细胞生物学（第一版）人民卫生出版社人民卫生出版社宋金丹主编宋金丹主编n n医学细胞生物学（第一版）医学细胞生物学（第一版）高等教育出版社高等教育出版社胡以平主编胡以平主编n n医学分子细胞生物学（第一版）医学分子细胞生物学（第一版）复旦大学出版社复旦大学出版社左左伋主编伋主编n n发育生物学发育生物学（第二版）（第二版）高等教育出版社高等教育出版社张红卫主编张红卫主编参考书医学细胞生物学（第二版）北京大学医学出版社 思考题思考题n n简述细胞分化的影响因素有哪些？n n利用细胞分化的相关知识分析肿瘤的治疗思路。思考题简述细胞分化的影响因素有哪些？