细胞工程3

,*,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,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,*,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,*,12-6-2010,细胞分化,细胞工程：是在细胞水平上的生物工程。所使用的技术主要是细胞培养、,细胞分化的定向诱导,、细胞融合和显微注射等,。,常金科,机体结,构,构,细胞增,殖,殖,细胞分,化,化,细胞凋,亡,亡,细胞信,号,号转导,染色体,（,DNA,与蛋白,质,质的相,互,互作用,）,）,衰老,基因表,达,达调控,细胞分,化,化,(celldifferentiation),：在个,体,体发育,中,中，由,一,一种相,同,同的细,胞,胞类型,经,经细胞,分,分裂后,逐,逐渐在,形,形态、,结,结构和,功,功能上,形,形成稳,定,定性差,异,异，产,生,生各不,相,相同的,细,细胞类,群,群的过,程,程。,几种生,物,物的细,胞,胞数目,与,与类型,物种,细,细,胞,胞数,细,细,胞,胞类型,团藻,10,2,2,海绵,10,3,5-10,水螅,10,5,10-20,涡虫,10,9,100,人,10,14,200,神经细胞,红细胞,平滑肌细胞,脂肪细胞,肠表皮细胞,横纹肌细胞,骨细胞,成纤维细胞,分化为,不,不同细,胞,胞类型,第一节,细,细胞,分,分化,(Celldifferentiation),一、细,胞,胞分化,的,的基本,概,概念,基因的,选,选择性,表,表达,二、影,响,响细胞,分,分化的,因,因素,三、,细,细胞,分,分化,与,与胚,胎,胎发,育,育,Hoxgenes,（一,）,）细,胞,胞分,化,化是,基,基因,选,选择,性,性表,达,达的,结,结果,细胞,分,分化,是,是由,于,于在,发,发育,过,过程,中,中，,细,细胞,选,选择,性,性的,表,表达,各,各自,特,特有,的,的专,一,一性,蛋,蛋白,质,质，,而,而导,致,致细,胞,胞形,态,态、,结,结构,和,和功,能,能的,差,差异,。,。,实验,证,证据,（,（分,子,子杂,交,交）,：,：,不同,的,的细,胞,胞类,型,型（,celltypes),中，,DNA,相同,，,，,mRNA,种类,不,不同,，,，蛋,白,白质,种,种类,不,不同,。,。,细胞总DNA 细胞总RNA,输卵管,成红,胰岛,输卵管,成红,胰岛,卵清蛋白基因,珠蛋白基因,胰岛素基因,实验方法,southern杂交,Northern杂交,（二,）,）组,织,织特,异,异性,基,基因,与,与管,家,家基,因,因,管家,基,基因,(house-keepinggenes),：,是,是指,所,所有,细,细胞,中,中均,要,要表,达,达的,一,一类,基,基因,，,，其,产,产物,是,是对,维,维持,细,细胞,基,基本,生,生命,活,活动,所,所必,需,需的,；,；,如微,管,管蛋,白,白基,因,因、,糖,糖酵,解,解酶,系,系基,因,因与,核,核糖,体,体蛋,白,白基,因,因等,。,。,组,织,织特,异,异性,基,基因,(tissue-specificgenes),，或,称,称奢,侈,侈基,因,因,(luxurygenes),：是,指,指不,同,同的,细,细胞,类,类型,进,进行,特,特异,性,性表,达,达的,基,基因,，,，其,产,产物,赋,赋予,各,各种,类,类型,细,细胞,特,特异,的,的形,态,态结,构,构特,征,征与,特,特异,的,的功,能,能；,如,如卵,清,清蛋,白,白基,因,因、,上,上皮,细,细胞,的,的角,质,质蛋,白,白基,因,因和,胰,胰岛,素,素基,因,因等,。,。,（二,）,）组,织,织特,异,异性,基,基因,与,与管,家,家基,因,因,管家,基,基因,(house-keepinggenes),：,是,是指,所,所有,细,细胞,中,中均,要,要表,达,达的,一,一类,基,基因,，,，其,产,产物,是,是对,维,维持,细,细胞,基,基本,生,生命,活,活动,所,所必,需,需的,；,；,如微,管,管蛋,白,白基,因,因、,糖,糖酵,解,解酶,系,系基,因,因与,核,核糖,体,体蛋,白,白基,因,因等,。,。,组,织,织特,异,异性,基,基因,(tissue-specificgenes),，或,称,称奢,侈,侈基,因,因,(luxurygenes),：是,指,指不,同,同的,细,细胞,类,类型,进,进行,特,特异,性,性表,达,达的,基,基因,，,，其,产,产物,赋,赋予,各,各种,类,类型,细,细胞,特,特异,的,的形,态,态结,构,构特,征,征与,特,特异,的,的功,能,能；,如,如卵,清,清蛋,白,白基,因,因、,上,上皮,细,细胞,的,的角,质,质蛋,白,白基,因,因和,胰,胰岛,素,素基,因,因等,。,。,调,节,节基,因,因（,regulatorygene,）产,物,物用,于,于调,节,节组,织,织特,异,异性,基,基因,的,的表,达,达，,或,或者,起,起激,活,活或,者,者起,阻,阻遏,作,作用,。,。,细胞,分,分化,的,的实,质,质是,组,组织,特,特异,性,性基,因,因在,时,时间,与,与空,间,间上,的,的差,异,异表,达,达,(differentialexpress),。这,种,种差,异,异表,达,达不,仅,仅涉,及,及到,基,基因,转,转录,水,水平,和,和转,录,录后,加,加工,水,水平,上,上的,精,精确,调,调控,，,，而,且,且还,涉,涉及,染,染色,体,体和,DNA,水平,，,，翻,译,译和,翻,翻译,后,后加,工,工与,修,修饰,水,水平,上,上的,复,复杂,而,而严,格,格的,调,调控,过,过程,。,。,（三）,组合调控（,combinational control,）引发组织,特,特异性基因,的,的表达,细胞分化过,程,程是由一系,列,列基因产物,调,调控的。每,个,个基因的表,达,达都必须：,在正确的细,胞,胞中；,在正确的时,间,间；,对正确的信,号,号产生正确,的,的反应；,产生正确的,表,表达水平。,问题：细胞,是,是如何协调,（,（,coordinate,）这一过程,？,？,组合调控（,combinational control,）概念：,有限的少量,调,调控蛋白启,动,动为数众多,的,的特异细胞,类,类型的分化,的,的调控机制,。,。即每种类,型,型的细胞分,化,化是由多种,调,调控蛋白共,同,同调节完成,的,的。,主导基因（,master gene,）：,在启动细胞,分,分化的各类,调,调节蛋白中,，,，往往存在,一,一两种起决,定,定作用的调,控,控蛋白，编,码,码这种蛋白,的,的基因称为,主,主导基因。,借助于组合,调,调控，一旦,某,某种关键性,基,基因调控蛋,白,白与其它调,控,控蛋白形成,适,适当的调控,蛋,蛋白组合，,不,不仅可以将,一,一种类型的,细,细胞转化成,另,另一种类型,的,的细胞，而,且,且遵循类似,的,的机制，甚,至,至可以诱发,整,整个器官的,形,形成。,（四）单细,胞,胞有机体的,细,细胞分化,Receptor,factor,a,differential expression,适应环境因,素,素,（五）转分,化,化与再生,转分化（,trans-differentiation,）：一种类,型,型的分化细,胞,胞转变成另,一,一种类型的,分,分化细胞的,现,现象称为转,分,分化。转分,化,化往往经历,去,去分化,(dedifferentiation),和再分化,(redifferentiation),的过程,去分化（,dedifferentiation,）：分化细,胞,胞失去其特,有,有的结构与,功,功能变成具,有,有未分化特,征,征的细胞的,过,过程：,高等动物的,克,克隆,去分化细胞,的,的细胞核必,须,须在卵细胞,质,质中才能完,成,成其去分化,的,的过程。,转分化（,trans-differentiation,）与去分化,（,（,dedifferentiation,）,分化程度低,的,的,CNS stem cell,再生（,regeneration,）：,再生是指,生,生物体缺,失,失一部分,后,后发生重,建,建的过程,。,。广义的,再,再生可包,括,括分子水,平,平、细胞,水,水平、组,织,织与器官,水,水平及整,体,体水平的,再,再生。,蟾蜍肢体,切,切除后，,伤,伤口处部,分,分细胞凋,亡,亡，多数,细,细胞,(,包括皮肤,、,、肌肉、,软,软骨和其,他,他结缔组,织,织的细胞,),经去分化,形,形成间充,质,质或纤维,细,细胞样的,细,细胞团,再生芽基,(regeneration blastema),，芽基细,胞,胞再分化,形,形成以有,序,序方式排,列,列的从肱,骨,骨直至指,骨,骨的完整,肢,肢体，这,一,一过程显,然,然由同源,异,异型基因,的,的表达模,式,式所调控,。,。,二、影响,细,细胞分化,的,的因素,通过组合,调,调控的方,式,式启动组,织,织特异性,基,基因的表,达,达是细胞,分,分化的基,本,本机制，,因,因此有必,要,要从细胞,的,的基因组,入,入手了解,与,与分析影,响,响细胞分,化,化的因素,。,。,（二）影,响,响细胞分,化,化的因素,细胞中组,织,织特异性,基,基因的选,择,择性表达,主,主要由调,控,控蛋白所,启,启动，调,控,控蛋白的,组,组合是影,响,响细胞分,化,化的主要,的,的直接因,素,素（内因,）,）。,1.,胞外信号,分,分子对细,胞,胞分化的,影,影响,2.,细胞记忆,与,与决定,3.,受精卵细,胞,胞质的不,均,均一性对,细,细胞分化,的,的影响,4.,细胞间的,相,相互作用,与,与位置效,应,应,5.,环境对性,别,别决定的,影,影响,6.,染色质变,化,化与基因,重,重排对细,胞,胞分化的,影,影响,1.,胞外信号,分,分子对细,胞,胞分化的,影,影响,近端因子,：,：细胞接,触,触；旁分,泌,泌；自分,泌,泌；缝隙,连,连接,远端因子,：,：内分泌,（,（激素）,A gap junction,环境,胞,胞外信号,2.,细胞记忆,与,与决定,信号分子,的,的有效作,用,用时间是,短,短暂的，,然,然而细胞,可,可以将这,种,种短暂的,作,作用储存,起,起来并形,成,成长时间,的,的记忆，,逐,逐渐向特,定,定方向分,化,化。,果蝇的成,虫,虫盘,(imaginal disc),是一些初,级,级分化的,细,细胞群，,而,而在幼虫,变,变态过程,中,中，不同,的,的成虫盘,发,发育为成,虫,虫不同的,器,器官，如,腿,腿、翅和,触,触角等。人们曾把,果,果蝇的变,态,态前幼虫,的,的成虫盘,细,细胞植入,成,成虫体内,，,，连续移,植,植,9,年，细胞,增,增殖多达,1800,代，然后,将,将这种成,虫,虫盘细胞,再,再移植回,幼,幼虫体内,则,则依然没,有,有失去记,亿,亿，照例,发,发育成为,相,相应的器,官,官。细胞,记,记忆保证,细,细胞决定,的,的稳定性,和,和遗传性,。,。,成虫盘,(imaginal disc),幼虫,成虫盘,变态,部分成虫,盘,盘移入另,一,一幼虫体,内,内,成虫盘分,化,化为成虫,体,体内的相,应,应器官,从相应的,成,成虫盘发,育,育成相应,的,的成体结,构,构,取出成虫,盘,盘细胞植,入,入幼虫体,内,内,成虫盘细,胞,胞在成虫,体,体内增殖,，,，可被多,次,次移植,部分成虫,盘,盘移入成,虫,虫腹腔,成虫盘细,胞,胞决定状,态,态的移植,实,实验,决定：,determination,细胞记忆,的,的机制：,正反馈途,径,径,染色质结,构,构变化信,息,息遗传到,子,子代,3.,受精卵细,胞,胞质的不,均,均一性对,细,细胞分化,的,的影响,在卵母细,胞,胞的细胞,质,质中除了,储,储存有营,养,养物质和,多,多种蛋白,外,外，还含,有,有多种,mRNA,，其中多数,mRNA,与蛋白质,结,结合处于,非,非活性状,态,态，称为,隐,隐蔽,mRNA,，不能被核,糖,糖体识别,。,。然而它,们,们在卵细,胞,胞质中呈,不,不均匀地,分,分布，在受精后,卵,卵细胞质,重,重新定位,，,，少数母,体,体,mRNA,被激活，,合,合成早期,胚,胚胎发育,所,所需要的,蛋,蛋白质。,随,随着受精,卵,卵早期细,胞,胞分裂，,隐,隐蔽,mRNA,不均一地,分,分配到子,细,细胞中。,受精卵的,细,细胞质不,均,均一性和,不,不均等卵,裂,裂,细胞增殖,过,过程中产,生,生不均等,细,细胞的方,式,式,4.,细胞间的,相,相互作用,与,与位置效,应,应,在胚胎学,研,研究中，,人,人们已注,意,意到细胞,间,间的相互,作,作用对细,胞,胞分化与,器,器官构建,的,的影响，,并,并称这种,作,作用为胚胎诱导,(embryonic induction),。胚胎诱导,作,作用不断,强,强化并可,分,分成不同,的,的层次，,虽,虽然对胚,胎,胎诱导作,用,用的机制,还,还不清楚,，,，但包括,旁,旁泌素等,信,信号分子,的,的作用,显然是其,重,重要原因,之,之一。,细胞所处,的,的位置不,同,同对细胞,分化的命,运,运也有明,显,显的影响,。,。,实验证明,，,，改变细,胞,胞所处的,位,位置,可导致细,胞,胞分化方,向,向的改变,，,，,这种现象,称,称位置效应,(position,effect),。 “位,置,置信息”,是,是产生,效应的主,要,要原因。,5.,环境对性,别,别决定的,影,影响,蜥蜴类的,它,它们在较,低,低温度条,件,件下,(24),全部发育,为,为雌性，,而,而温度提,高,高,(32),则全部发,育,育为雄性,。,。,龟类在较,低,低温度条,件,件下全部,发,发育为雄,性,性，而温,度,度提高则,全,全部发育,为,为雌性。,另外，有,一,一种蜗牛,类,类的软体,动,动物的性,别,别决定取,决,决于个体,间,间的相互,位,位置关系,，,，在它们,形,形成的上,下,下相互叠,压,压的群体,中,中，位于,下,下方的个,体,体发育为,雌,雌性，而,位,位于上方,的,的个体发,育,育为雄性,。,。,总的来说,，,，个体发,育,育中的细,胞,胞分化的,基,基础是建,立,立在细胞,的,的内部，,而,而环境因,素,素只是条,件,件。,6.,染色质变化与,基,基因重排对细,胞,胞分化的影响,原生动物纤毛,虫,虫类,(,如草履虫、四,膜,膜虫,),的细胞内存在,二,二个细胞核，,小,小核称为生殖,核,核，包含完整,的,的基因组；大,核,核称为营养核,，,，丢失,10%90%,的,DNA,，剩余的,DNA,经重排与扩增,后,后形成多倍体,，,，其基因活跃,地,地转录并决定,一,一切表型特征,。,。大核是在有,性,性生殖过程中,，,，由小核发育,而,而来，细胞虽,未,未分化但细胞,核,核“分化”成,二,二种不同的类,型,型。,基因重排是细,胞,胞分化的另一,种,种特殊方式。,抗,抗体是由浆细,胞,胞分泌的，而,浆,浆细胞是由,B,淋巴细胞分化,而,而来。在这一,过,过程中，,B,淋巴细胞中的,DNA,经过断裂丢失,与,与重排的复杂,变,变化从而利用,有,有限的免疫球,蛋,蛋白基因，在,理,理论上可表达,出,出数百亿种抗,体,体。,7,、（补充）数,量,量效应：细胞,数,数量对诱导组,织,织形成是必要,的,的,如小鼠胚胎胰,腺,腺原基在体外,进,进行组织培养,时,时，可发育成,具,具有功能的胰,腺,腺组织，但如,果,果把胰原基切,成,成,8,小块分别培养,，,，则都不能形,成,成胰腺组织，,如,如果再把分开,的,的小块合起来,，,，又可形成胰,腺,腺组织,细胞分子生物,学,学相关领域的,诺,诺贝尔奖（,19582009,）,1958M&P,基因决定蛋白,质,质,M&P,遗传重组,Chemistry,蛋白质一级结,构,构,1959M&PDNA,与,RNA,的合成,1960M&P,抗体形成过程,中,中克隆选择理,论,论,1961Chemistry,光合作用中,CO2,同化作用的生,化,化机制,1962M&PDNA,的三维结构,1963M&P,神经膜电位的,离,离子作用机制,1964Chemistry,有机复合物分,子,子的结构,1965M&P,细菌操纵子及,其,其信使,RNA,1966M&P,致癌病毒,M&P,前列腺癌的激,素,素治疗,1968M&P,遗传密码,tRNA,的结构,1969M&P,病毒的遗传结,构,构,1970M&P,神经冲动的扩,大,大及传递,Chemistry,糖核苷在糖类,合,合成中的作用,1971M&P,激素作用机制,及,及其与,cAMP,的关系,1972M&P,免疫球蛋白结,构,构,Chemistry,蛋白质一级结,构,构与四级结构,1974M&P,细胞内部组分,的,的结构与功能,1975M&P,反转录酶与反,转,转录病毒的活,性,性,1976M&P,蛋白粒子类疾,病,病,1978M&P,限制性内切酶,技,技术,Chemistry,氧化磷酸化的,化,化学渗透学说,1980Chemistry,核酸蛋白复合,物,物的结构,Chemistry,重组,DNA,技术,DNA,测序技术,M&P,主要组织相容,性,性复合物,1982Chemistry,核酸蛋白复合,物,物的结构,1983M&P,基因组中的可,动,动遗传因子,1984M&P,单克隆抗体,抗体形成,1985M&P,胆固醇代谢调,节,节与胞吞作用,的,的关系,1986M&P,神经生长因子,1987M&P,基因重排导致,抗,抗体的多样性,1988Chemistry,细菌广河租用,反,反应中心,1989M&P,导致恶性转变,的,的胞内基因,Chemistry,具有催化能力,的,的,RNA,1991M&P,膜片夹测定膜,离,离子流量,1992M&P,磷酸化与去磷,酸,酸化对酶活性,的,的影响,1993Chemistry,多聚酶链反应,（,（,PCR,）,点突变（,SDM,）,M&P,断裂基因和,RNA,合成,1994M&PG,蛋白的结构与,功,功能,1995M&P,胚胎发育的基,因,因调控,1996M&P,免疫系统对病,毒,毒感染细胞的,识,识别,1997M&P,发现阮病毒,ChemistryNa+-K+ ATPase,ATP,合成机制,1998M&PNO,是体内重要的,信,信号分子,1999M&P,蛋白质固有的,信,信号调控及其,在,在 细,胞,胞内的转移与,定,定位,2000M&P,神经系统的信,号,号转导,2001M&P,发现细胞周期,的,的关键调控因,子,子,2002Chemistry,质谱法测定生,物,物大分子,核磁共振法测,定,定生物大分子,在,在溶液中的结,构,构,M&P,器官发育的遗,传,传基础和细胞,的,的程序化死亡,2003Chemistry,发现水通道,离子通道的结,构,构和功能,2004M&P,发现气味分子,受,受体和嗅觉系,统,统的组成,Chemistry,发现泛素介导,的,的蛋白质降解,途,途径,2005M&P,发现幽门螺杆,菌,菌及其在胃肠,道,道疾病中的,作,作用,2006Chemistry,真核生物转录,的,的分子基础,M&PRNA,干扰,双螺旋,RNA,能够沉默基因,表,表达,2007M&P,基因靶向技术,2008Chemistry,绿,绿色,荧,荧光蛋白,M&P,艾,艾滋,病,病毒人乳头状,瘤,瘤病毒致宫颈,癌,癌,2009M&P,染,染色体端粒,酶,酶,Chemistry,核,核糖体的,机,机构和功能,谢谢！,