細胞分化干細胞細胞生物學(xué)第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二Humancells：Number：1014cells,>200celltypes細胞分化第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二Question1：受精卵是如何發(fā)育成一個人的？受精卵是如何發(fā)育成具有不同功能的組織器官的？第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二增殖增殖如果只有細胞增殖，沒有細胞分化，就只能形成一細胞團，而不能形成人體。第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二在個體發(fā)育過程中，后代細胞間在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能上發(fā)生穩(wěn)定性差異的過程。細胞分化是多細胞有機體發(fā)育的基礎(chǔ)與核心。組織、器官、系統(tǒng)個體細胞分化(celldifferentiation)第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二（一）細胞分化表現(xiàn)為細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)定性差異。----穩(wěn)定，與功能相適應(yīng)一、細胞分化的基本特征骨骼肌細胞紅細胞神經(jīng)細胞第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二細胞決定(celldetermination)細胞決定是指細胞在發(fā)生可識別的形態(tài)變化之前,就已受到約束而確定了分化方向,這時細胞內(nèi)部已發(fā)生了穩(wěn)定的變化,基因活動模式已經(jīng)開始改變，確定了未來的發(fā)育命運。（二）細胞分化的時空性。*遺傳穩(wěn)定性：果蠅成蟲盤細胞的移植實驗

*決定制約著細胞分化的方向第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二果蠅成蟲盤細胞的移植實驗

第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二細胞決定實驗示意圖第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二細胞分化的有序性單細胞生物：時間性多細胞生物：時間性＋空間性第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二（三）細胞分化的可逆性——去分化與轉(zhuǎn)分化去分化(dedifferentiation)在特定條件的誘導(dǎo)下，高度分化的細胞可以失去特有的結(jié)構(gòu)和功能，變?yōu)榫哂形捶只毎奶匦浴＿@種現(xiàn)象叫做去分化。正常分化的細胞癌細胞射線、藥物、毒物...轉(zhuǎn)分化(transdifferentiation)從一種特化細胞類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類型的分化細胞的現(xiàn)象。培養(yǎng)基中缺乏維生素A培養(yǎng)基中富含維生素A人皮膚基底層細胞角化細胞粘膜上皮細胞或具有纖毛的上皮細胞第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二（四）個體發(fā)育中細胞分化的潛能性1、細胞發(fā)育潛能在發(fā)育過程中逐漸變窄

桑葚胚囊胚原腸胚第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二單個細胞在一定條件下具有分化發(fā)育成完整個體的能力。全能細胞（totipotentcell)多能細胞（pluripotentcell)分化潛能受限，失去發(fā)育成完整個體的能力，但仍具有發(fā)育成多種表型的能力。

隨著細胞分化，細胞的分化潛能進一步受到限制，只有分化形成某一類型細胞的能力。穩(wěn)定型單能(unipotency)因此，就其分化潛能來講，動物細胞的全能性隨著細胞分化程度提高，而逐漸“變窄”，此為細胞分化的普遍規(guī)律。第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二外胚層中胚層內(nèi)胚層生殖細胞全能細胞多能細胞單能細胞在胚胎發(fā)育過程中，由全能多能單能的發(fā)育趨向，是細胞分化的一個普遍規(guī)律第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二2、細胞生理狀態(tài)隨分化水平而變化細胞的分裂能力細胞對環(huán)境因子的反應(yīng)性第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二高度分化的植物細胞仍具有全能性，在適宜的條件下可培育成正常的植株。證據(jù)一：3、分化細胞細胞核的全能性第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二1958年有人用野生胡蘿卜游離的韌皮部細胞進行體外培養(yǎng)的實驗中，觀察到已經(jīng)高度分化的細胞可以重新分裂而回得到胚性細胞狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做去分化或稱脫分化，然后通過再分化形成根莖，最終發(fā)育成完整的新植株。第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二證據(jù)二：動物細胞核移植實驗爪蟾核移植實驗第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二哺乳動物核移植實驗—“多莉”（Dolly）羊的誕生第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二紅細胞和肌細胞等體細胞的遺傳信息相同嗎？紅細胞血紅蛋白基因開啟合成血紅蛋白肌細胞肌動蛋白基因開啟合成肌動蛋白細胞分化的實質(zhì)是細胞按照一定程序發(fā)生的差別基因表達二、細胞分化的調(diào)控第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二分子雜交技術(shù)檢測基因及其表達

不同類型的細胞在發(fā)育過程中表達一套特異的基因，其產(chǎn)物不僅決定細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)，而且執(zhí)行各自的生理功能。細胞總DNA細胞總RNA輸卵管細胞成紅細胞胰島細胞輸卵管細胞成紅細胞胰島細胞卵清蛋白基因++++--β-珠蛋白基因+++-+-胰島素基因+++--+實驗方法Southern雜交Northern雜交第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二又稱組織特異性基因(tissue-specificgenes)指不同的細胞類型進行特異性表達的基因，其產(chǎn)物賦予各種類型細胞特異的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與特異的功能；如紅細胞的血紅蛋白基因，皮膚的角蛋白基因。管家基因(house-keepinggene)：是指所有細胞中均要表達的一類基因，其產(chǎn)物是對維持細胞基本生命活動所必需的；如核糖體蛋白，線粒體蛋白，膜蛋白、組蛋白。奢侈基因(luxurygene)（一）細胞分化與差異基因表達第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

細胞分化的基因表達調(diào)控可以發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、翻譯以及蛋白質(zhì)形成后活性修飾等不同水平，其中轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控最為重要。--順式作用元件（包括啟動子、增強子、沉默子），促進基因轉(zhuǎn)錄活性，調(diào)節(jié)基因的組織專一性表達。

--反式作用因子（又叫轉(zhuǎn)錄因子或調(diào)節(jié)蛋白），結(jié)合特異的順式作用元件而激活基因的轉(zhuǎn)錄。

--包括轉(zhuǎn)錄激活和轉(zhuǎn)錄抑制兩方面。

--DNA甲基化--組蛋白的共價修飾（二）差別基因表達的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二DNA甲基化修飾主要與基因抑制有關(guān)

人類胚胎紅細胞中珠蛋白基因的甲基化第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二基因活化蛋白引導(dǎo)的染色質(zhì)局部結(jié)構(gòu)改變第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二●轉(zhuǎn)錄后的加工調(diào)節(jié)●非編碼RNA在細胞分化中的作用●基因重排和基因調(diào)控

第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二在卵裂期間，不同的細胞質(zhì)組分被分配到不同類型的細胞內(nèi)，這些特殊的組分被稱為形態(tài)發(fā)生的決定子，它們支配細胞分化的途徑。（一）細胞核對細胞分化的影響（二）細胞質(zhì)對細胞分化的影響?細胞核內(nèi)基因選擇性表達三、細胞分化的影響因素第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二指一部分細胞對其鄰近細胞的形態(tài)發(fā)生影響，并決定其分化方向。胚胎誘導(dǎo)是胚胎形成中有序分化的重要因素如眼的形成。（三）細胞相互作用對分化的影響在細胞生物中，細胞間相互作用對細胞分化有較大影響。1.細胞誘導(dǎo)（induction）多級誘導(dǎo)：初級誘導(dǎo)：如脊索中胚層誘導(dǎo)其表面的外胚層發(fā)育神經(jīng)板；次級誘導(dǎo)：如神經(jīng)板卷成神經(jīng)管后，前端膨大成原腦，其兩側(cè)突出的視杯再誘導(dǎo)其上方的外胚層形成晶狀體，為次級誘導(dǎo)；三級誘導(dǎo)：晶狀體再誘導(dǎo)其表面的外胚層形成角膜，為三級誘導(dǎo)。第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二脊索中胚層外胚層神經(jīng)板前腦-視杯神經(jīng)管外胚層晶狀體外胚層

角膜第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二在胚胎發(fā)育中，分化的細胞受到鄰近細胞產(chǎn)生的抑制物影響，其作用與誘導(dǎo)相對。如含有成蛙心組織的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚，則蛙胚不能發(fā)育出正常的心臟。用含成體蛙腦組織碎片的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚，也不產(chǎn)生正常的腦，說明，已分化的細胞可以產(chǎn)生抑制鄰近細胞進行同樣的分化的物質(zhì)，使發(fā)育的器官之間相互區(qū)別而避免重復(fù)發(fā)生。2.細胞抑制第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二3.細胞粘附分子對細胞分化的作用

細胞粘合是由于同類細胞可以通過表面細胞粘附因子，進行相互識別、黏著、聚集并相互作用，這有利于形態(tài)發(fā)生以及正常結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和維持。如：將蠑螈的原腸胚三個胚層的游離細胞體外混合培養(yǎng)，各胚層細胞又將自我挑選，相互黏著，依然形成外胚層在外，內(nèi)胚層在內(nèi)，中胚層介于二者之間的胚胎。第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二2.遠距離調(diào)節(jié)激素是遠距離調(diào)節(jié)細胞分化的信息分子。特點：靶細胞的特異性；激素作用的高效性；如：蝌蚪變態(tài)過程中，尾部退化及前肢形成是由于甲狀腺分泌的甲狀腺素和三碘甲狀腺氨基酸的分泌增加所致。如：卵巢產(chǎn)生雌激素，促進雌性第二性征的發(fā)育分化。（四）信號分子對分化的影響（五）環(huán)境因素對分化的影響1.相鄰細胞通過細胞旁分泌產(chǎn)生的信號分子來實現(xiàn)的。如，成纖維細胞生長因子，轉(zhuǎn)化生長因子，Wnt家族等。第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二腫瘤細胞是生物體內(nèi)的正常細胞演變而來的。從細胞分化的觀點分析腫瘤，可認為，細胞癌變是細胞分化領(lǐng)域中的一個特殊問題,腫瘤細胞是正常細胞分化機制失控造成的。細胞癌變是細胞去分化的結(jié)果。癌細胞和胚胎細胞具有很多相似的特性。例：甲胎蛋白四、細胞分化與腫瘤第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二傳統(tǒng)的治療方法，外科手術(shù)切除／化學(xué)療法和放射性治療都是殺傷性治療。研究表明腫瘤細胞可以在高濃度的分化信號作用下，被誘導(dǎo)分化為正常細胞。如，應(yīng)用維甲酸治療早幼粒細胞白血病的誘導(dǎo)分化治療取得了大批病例的成功.提示了腫瘤治療的一個新方向。腫瘤細胞經(jīng)誘導(dǎo)分化后可以“改邪歸正”第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二思考題管家基因、奢侈基因什麼是細胞分化？有那些具體特征？細胞分化的影響因素有那些？為什么說在發(fā)育過程中細胞的潛能逐漸變窄？第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二在個體成熟之后，機體的組織仍然保持著一種特有的自穩(wěn)性。即在特定組織中細胞的死亡和細胞的增生的速度會維持著一個動態(tài)平衡。各種組織還保持著程度不同的損傷后再生的能力，如兩棲類動物、哺乳動物的造血系統(tǒng)，小腸，毛發(fā)及皮膚等。干細胞第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二是一類具有自我更新和多向分化潛能的細胞，它存在于人體或者動物個體發(fā)育各個階段的組織器官中，是各種分化細胞或特化細胞的初始來源。干細胞第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二按來源分類干細胞是指存在于早期胚胎、骨髓、臍帶、胎盤和成年人部分組織或器官中的尚未分化的細胞，它能夠發(fā)育成肌肉、血液、肝臟、骨骼和神經(jīng)等多種人體組織和器官。

胚胎干細胞成體干細胞按分化潛能分類

多能干細胞

全能干細胞

專能干細胞

一、干細胞的分類第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二處于8細胞之前的每一個胚胎細胞都具有全能性，將任意細胞移入子宮，都可以發(fā)育為一個完整個體。稱為全能干細胞。全能干細胞第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

隨著發(fā)育的進行，形成胚泡，胚泡一側(cè)的內(nèi)細胞團具有分化為成熟個體中所有細胞類型的潛能，但沒有形成完整個體的能力，稱為多能干細胞，也稱為胚胎干細胞。隨著胚胎繼續(xù)發(fā)育，多能干細胞進一步分化，其后代的分化潛能將進一步變窄。只能向一種類型或密切相關(guān)的兩種類型的細胞分化。如神經(jīng)干細胞只具有分化為神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細胞的潛能。多能干細胞專能干細胞第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二干細胞是具有強大增殖潛能的原始細胞。細胞通常呈圓形或橢圓形，體積較小。核質(zhì)比相對較大。細胞中各種細胞器不夠發(fā)達等。有比較高的端粒酶活性。二、干細胞的形態(tài)和生化特點不同的干細胞具有各異的生化標(biāo)志，對于確定干細胞的位置，尋找和分離干細胞有重要意義。如：角蛋白15是確定毛囊中表皮干細胞的標(biāo)志分子，巢素蛋白是神經(jīng)干細胞的標(biāo)志分子。本質(zhì)特點：具有增殖和自我更新能力，在適當(dāng)條件下表現(xiàn)出分化潛能。第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二對稱分裂：干細胞分裂產(chǎn)生的兩個子細胞都是干細胞（增殖，自我更新）或都是分化細胞（分化）。不對稱分裂：干細胞分裂產(chǎn)生一個子代干細胞（自我更新）和一個子代分化細胞（分化）。A：干細胞的不對稱分裂

(asymmetrydivision)

B：干細胞群體的不對稱分裂(populationalasymmetrydivision)干細胞的增殖分化和自我更新方式：第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二1.干細胞增殖的緩慢性干細胞進入分化程序前，要經(jīng)過一個短暫增殖期，產(chǎn)生過渡放大細胞。過渡放大細胞是界于干細胞和分化細胞之間的過渡細胞，經(jīng)若干次分裂后產(chǎn)生分化細胞，其作用是可以通過較少的干細胞產(chǎn)生較多的分化細胞。

干細胞過渡放大細胞分化細胞

(transitamplifyingcell)

緩慢增殖的生理意義可減少基因發(fā)生突變的危險；有利于干細胞對環(huán)境信號作出反應(yīng)。三、干細胞的增殖特征2.干細胞增殖系統(tǒng)的自穩(wěn)定性自穩(wěn)定性是指干細胞可以在生物個體生命區(qū)間中自我更新并維持其自身數(shù)目的恒定。第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二干細胞的分化潛能（全能－多能－專能）胚胎干細胞的亞全能分化特性成體干細胞的多全能分化特性區(qū)別于前體細胞干細胞具有可塑性，在適當(dāng)條件下干細胞的轉(zhuǎn)分化和去分化。干細胞的轉(zhuǎn)分化：一種組織類型的干細胞在適當(dāng)條件下分化為另一種組織類型細胞的現(xiàn)象。如人的骨髓干細胞可以分化為肝臟細胞、肌肉細胞、神經(jīng)細胞等。干細胞的去分化：一種干細胞向其前體細胞的逆向轉(zhuǎn)化。四、干細胞的分化特征第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二分泌因子：許多分泌因子對干細胞的生存、增殖和分化具有重要調(diào)控作用。受體介導(dǎo)的細胞間相互作用整合素和胞間基質(zhì)干細胞的增殖分化是受到嚴密調(diào)控的。五、干細胞增殖與分化的分子調(diào)控2.它在組織器官中所處是微環(huán)境。這種微環(huán)境稱為干細胞巢。內(nèi)源因素。

OCT4、Nanog、Sox2以及端粒酶。第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二胚胎干細胞

胚胎干細胞：來源于胚胎內(nèi)細胞團(ICM)和原始生殖細胞,具有發(fā)育全能性(具有分化發(fā)育成三個胚層細胞的潛力)的細胞。胚胎干細胞可以在體外無限擴增并保持未分化狀態(tài)，具有分化為胎兒或成體動物各種細胞類型的潛能。在適當(dāng)條件下胚胎干細胞可被誘導(dǎo)分化為多種細胞。ES細胞（embryonic

stemcell）：來源于囊胚內(nèi)細胞團EG細胞（embryonic

germcell）：來源于早期胎兒生殖嵴部位原始生殖干細胞EC細胞（embryonic

carcinoma）：來源于畸胎瘤胚胎干細胞分類第49頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二(1)發(fā)育良好的囊胚，從中分離內(nèi)細胞群細胞ES細胞(2)從5-9周的胚胎生殖腺中分離出人的EG細胞(3