第十四章CELLDIFFERENTIATION細(xì)胞分化與胞質(zhì)分裂第一節(jié)

細(xì)胞分化的基本概念CelldifferentiationoccursinmulticellularorganismsHuman:1014cells,>200celltypes細(xì)胞后代在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生差異的過程。什么是分化？細(xì)胞具有發(fā)育成完整個體的潛能。

如受精卵、2-細(xì)胞期細(xì)胞、8-細(xì)胞期細(xì)胞(哺乳類)具有分化出多種組織的潛能。

如成體中的有些多能干細(xì)胞。只能分化出一種細(xì)胞的分化潛能。

如成體中的有些單能干細(xì)胞全能性(totipotency)：多能性(pluripotency)：單能性(monopotency)：（一）細(xì)胞間的相互作用二、細(xì)胞分化的機(jī)理多細(xì)胞生物形成的四個基本過程眼的誘導(dǎo)(induction)發(fā)育過程：視細(xì)胞可誘導(dǎo)其外面的外胚層形成晶體，而晶體又可誘導(dǎo)外胚層形成角膜。STAP事件：笹井芳樹(YashikiSasai)日本理化研究所發(fā)生與再生科學(xué)綜合研究中心副主任從ES中培養(yǎng)出視杯、皮層、腦垂體胚胎誘導(dǎo)：(embryonicinduction)：胚胎發(fā)育過程中，一部分細(xì)胞影響相鄰細(xì)胞向一定方向分化的作用。誘導(dǎo)細(xì)胞釋放信號分子誘發(fā)周圍的細(xì)胞向某個方向分化。誘導(dǎo)細(xì)胞叫組織者(organizers)，分泌的可擴(kuò)散誘導(dǎo)物叫形成素(morphogen)Morphogen從組織者處存在濃度梯度，這是誘導(dǎo)周圍組織細(xì)胞發(fā)生不同改變的基礎(chǔ)。卵細(xì)胞具有極性，細(xì)胞核靠近動物極。動物極：極體釋放的部位；植物極：相對動物極而言，母體物質(zhì)主要儲存在于植物極。二、細(xì)胞分化的機(jī)理（二）細(xì)胞分裂的不對稱性動物卵細(xì)胞中貯存有大量mRNA，呈非均勻分布；卵裂后的細(xì)胞質(zhì)的特性決定了子細(xì)胞核的分化命運。細(xì)胞決定：三歲看到老細(xì)胞分化：形態(tài)、功能發(fā)生變化。細(xì)胞決定：出現(xiàn)差異之前，已經(jīng)確定了未來的發(fā)育方向，只能向特定的方向分化。第二節(jié)

細(xì)胞胞質(zhì)分裂胞質(zhì)分裂胞質(zhì)分裂：分裂溝“Rappaport分裂溝”形成實驗

：星體刺激假說

中間紡錘體假說星體松弛假說

分裂溝形成部位決定：沒有單個的假說可以解釋所有的實驗觀察，所以分裂溝位置的可能由這些機(jī)制組合共同決定，或者還有其他機(jī)制，因為不同的細(xì)胞類型不同的機(jī)制的重要性也不一樣。例如線蟲的胚胎細(xì)胞中，由相當(dāng)?shù)淖C據(jù)表明星體刺激和中間紡錘體機(jī)制都很重要。動物細(xì)胞胞質(zhì)分裂的位置和時間決定時間：中／后期轉(zhuǎn)換之后空間：分裂溝的位置，紡錘體赤道板胞質(zhì)分裂的時間與空間控制：由于胞質(zhì)分裂的進(jìn)程必須和有絲分裂的進(jìn)行相協(xié)調(diào)，所以很顯然中間紡錘體的形成也要被細(xì)胞周期調(diào)控系統(tǒng)控制，如Cdk1。Cdk1使中間紡錘體組織蛋白的磷酸化使Cdk1可以控制中間紡錘體組織的時間：中期-后期轉(zhuǎn)換以前，活化的Cdk1磷酸化組裝中間紡錘體的諸多調(diào)控因子，抑制了他們的組裝活性。當(dāng)中期-后期轉(zhuǎn)換以后周期蛋白B被APC降解，抑制解除，才開始組裝中間紡錘體。時間：中／后期轉(zhuǎn)換之后：Cdk1另外有意思的是，原來有絲分裂中期定位在動粒的蛋白質(zhì)，在后期開始出現(xiàn)在中間紡錘體上。這些蛋白質(zhì)包括兩個有絲分裂蛋白激酶Plk和AuroraB。Cdk1主要調(diào)節(jié)中間紡錘體形成的時序性，而AuroraB主要負(fù)責(zé)的中間紡錘體形成的空間調(diào)控?？臻g：分裂溝的位置，紡錘體赤道板：

中間紡錘體還包括其他幾種潛在的調(diào)節(jié)蛋白，叫乘客蛋白，原來在有絲分裂中期定位在動粒，后期開始就出現(xiàn)在中間紡錘體上。這些蛋白質(zhì)包括兩個有絲分裂蛋白激酶Plk和AuroraB。AuroraB部分通過磷酸化而啟動MKLP-1的功能對胞質(zhì)分裂的完成起重要作用。由于中期-后期轉(zhuǎn)換后，AuroraB從動粒轉(zhuǎn)移逐漸到中間紡錘體上，在分離的染色單體之間就形成了一個AuroraB激酶活性的梯度，使AuroraB調(diào)控了中間紡錘體在特定的部位形成胞質(zhì)分裂相關(guān)結(jié)構(gòu)之一：收縮環(huán)：微絲

收縮環(huán)：一個圍繞在細(xì)胞赤道板皮層下，環(huán)平面和染色體分離軸垂直對切的蛋白質(zhì)環(huán)。收縮環(huán)的主要組成成分是具有收縮能力的纖維蛋白肌動蛋白和馬達(dá)蛋白肌球蛋白II束，他們的收縮將引起收縮環(huán)收縮，將細(xì)胞膜內(nèi)拉胞質(zhì)分裂時，肌動蛋白纖維的正端被未知的蛋白質(zhì)錨定在細(xì)胞皮層，采用與肌肉收縮類似的機(jī)制，以肌動蛋白纖維為軌道，向肌動蛋白纖維的正端運動。結(jié)果肌動蛋白錨定的細(xì)胞皮層靠近，引起細(xì)胞膜的皺縮胞質(zhì)分裂環(huán)的組裝分裂部位出現(xiàn)的肌動蛋白纖維要么是招募其他地方預(yù)先存在的纖維，要么在原位重新形成纖維。這兩種可能性都存在，但是后者似乎更重要。隔蛋白（Septin）：是GTP酶，可以組裝成大的復(fù)合物和纖維。動物細(xì)胞里正常的胞質(zhì)分裂和肌動蛋白纖維在分裂溝部位共定位也需要隔蛋白。我們既不清楚隔蛋白功能的分子基礎(chǔ)，也不知道它的GTP酶活性的作用，盡管一個可能性是隔蛋白可以作為胞質(zhì)分裂器組織的結(jié)構(gòu)骨架。Anillin：一個具有多個結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，可以和肌動蛋白、肌球蛋白II和隔蛋白結(jié)合。果蠅細(xì)胞隔蛋白的正確定位需要anillin，其功能缺失導(dǎo)致胞質(zhì)分裂的部分缺陷。IQGAP蛋白質(zhì)：一個蛋白家族，和肌動蛋白纖維作用，至少在酵母細(xì)胞里為正常收縮環(huán)的形成所必需。芽殖酵母里蛋白質(zhì)Iqg1在后期剛好于肌動蛋白之前出現(xiàn)在芽體頸部，

負(fù)責(zé)這個位點肌動蛋白的招募。動物細(xì)胞收縮環(huán)的一個主要調(diào)控因子是Rho，一個Ras/Ran家族的小GTP酶。在結(jié)合GTP活性的狀態(tài)下，Rho和分裂溝的多個靶蛋白相互作用，包括那些影響肌動蛋白-肌球蛋白環(huán)的裝配和收縮的蛋白質(zhì)

胞質(zhì)分裂相關(guān)的結(jié)構(gòu)之二：中間紡錘體：微管

有絲分裂時存在兩個紡錘體：有絲分裂紡錘體和中間紡錘體，兩者都是由微管組裝成的雙極結(jié)構(gòu)，正端在紡錘體中央重疊。兩者出現(xiàn)的時間不同：前者出現(xiàn)在有絲分裂進(jìn)入時，而后者存在于有絲分裂退出后、胞質(zhì)分裂開始時。微管的活潑特性不同：中間紡錘體的微管比較穩(wěn)定，如采用Nacodazole處理后期開始后的細(xì)胞兩分鐘，星體微管全部解聚，而中間紡錘體微管則不受影響。中間紡錘體的來源有兩個：有絲分裂紡錘體微管和重新形成的微管。當(dāng)有絲分裂紡錘體兩極被拉開時，微管的負(fù)端從極體上被拉脫，參與組織中間紡錘體。但是仍不知道這些自由的微管的負(fù)端是如何穩(wěn)定。另一方面，即使在沒有有絲分裂紡錘體的極端情況下，中間紡錘體也可以形成，表明存在從頭合成的形成中間紡錘體的機(jī)制。但兩者的權(quán)重仍不清楚。中間紡錘體的組裝中間紡錘體的自我組裝需要微管結(jié)合蛋白MAPs、馬達(dá)蛋白和有絲分裂激酶，包括PRC1、MKLP1、CPC等。

第三節(jié)

不均等分裂細(xì)胞的不對稱分裂決定子細(xì)胞命運和功能的分化

在特定的情況下，一些細(xì)胞的分裂并不均等，兩個子細(xì)胞沒有繼承相同的細(xì)胞質(zhì)成分，包括細(xì)胞器和生物大分子，甚至姊妹染色單體的分配也會存在子細(xì)胞的偏重。這種不對稱的分裂方式在胚胎早期發(fā)育過程中可以產(chǎn)生兩個具有不同的發(fā)育命運的子細(xì)胞，更重要的是保證了成體干細(xì)胞干性維持和定向分化的平衡。（一）不對稱分裂體現(xiàn)為細(xì)胞成分的不均等分配

細(xì)胞器的不均等分配：中心體：母中心粒（M）和子中心粒（D）組成，M、D中心粒分別半保留復(fù)制出孫中心粒GD1，GD2，形成M-GD1和D-GD2兩個中心體。兩者分配不對稱。

芽殖酵母:M-GD1----芽體；果蠅的雄性生殖干細(xì)胞（GSC）:M-GD1----干細(xì)胞果蠅幼蟲神經(jīng)母細(xì)胞（NBs）:D-GD2----神經(jīng)母細(xì)胞哺乳動物神經(jīng)祖細(xì)胞:M-GD1----祖細(xì)胞中。不對稱分裂時，其他細(xì)胞器如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通過與細(xì)胞骨架如微絲和微管的相互作用，在兩個子細(xì)胞之間不均等分配。一般而言，增殖能力強(qiáng)的子細(xì)胞將獲得質(zhì)量更好、更具功能的細(xì)胞器，如芽殖酵母的芽體細(xì)胞更傾向于獲得代謝能力更旺盛的線粒體。細(xì)胞器的不均等分配2.生物大分子的不均等分配

早期胚胎發(fā)育過程中分裂時生物大分子在子細(xì)胞之間的不均等分配已經(jīng)是被廣泛接受的概念：包括蛋白質(zhì)、mRNA等生物大分子的不均等分配是兩個子細(xì)胞不同命運決定的根本原因。現(xiàn)在越來越多的的研究表明，細(xì)胞分裂時生物大分子的不均等分配可能具有更廣泛的意義。如果把一些受損或錯誤折疊的蛋白質(zhì)、ROS損傷的DNA、脂類等大分子特異地分配到一個子細(xì)胞中，犧牲這個子細(xì)胞就可以防止另外一個細(xì)胞的衰老。

3.姊妹染色單體不均等分配

果蠅GSC的不對稱分裂時，舊組蛋白H3主要存在與GSC中，而新合成的組蛋白H3主要分布在精原細(xì)胞中。這可能與新合成的組蛋白在新舊DNA鏈上裝配的偏重有關(guān)。新合成的組蛋白往往其N端被乙酰化修飾，乙酰化的組蛋白在一些組蛋白分子伴侶的協(xié)助下，通過與PCNA相互作用，在復(fù)制叉通過后組裝新的核小體。進(jìn)一步的問題是：既然不對稱分裂時組蛋白存在不均等分配，復(fù)制后的DNA鏈?zhǔn)欠褚泊嬖诓痪确峙洌看鸢革@然是Yes。即便不是所有，至少也是部分姊妹染色單體，在不對稱分裂時存在不均等分配的現(xiàn)象。果蠅GSC中的X、Y染色體的兩個姊妹染色單體存在非隨機(jī)分配，其中一條姊妹染色單體分配到GSC的比率為85%。但是其他常染色體卻不存在這種偏重的現(xiàn)象?，F(xiàn)在流行的觀點認(rèn)為，DNA的兩條鏈分別攜帶了不同的遺傳信息，有絲分裂器可以識別新舊DNA鏈，將不同的染色單體偏重分配到不同的子細(xì)胞中，控制兩個子細(xì)胞的分化命運。干性的維持的一個簡單直接的解釋：干細(xì)胞繼承的染色單體的“干性基因”表達(dá)更為活躍，而分化細(xì)胞繼承的染色單體的“干性基因”表達(dá)相對沉默。（二）、不均等分裂的原因：外界信號分子外界極化達(dá)到環(huán)境細(xì)胞內(nèi)部的不對稱性1，復(fù)制后兩個中心體的不同特性影響細(xì)胞組分的不

均等分布

中心體復(fù)制后形成的兩個M-GD1和D-GD2中心體特性不一：。首先，兩者的蛋白組成存在很大差異，M-GD1和D-GD2分別具有其特異的蛋白質(zhì)存在，如M-GD1上的ε-微管蛋白,Centriolin和D-GD2上的Centrobin,Neural4等；其次，M-GD1和D-GD2中心體作為MTOC的活性也不一樣，M-GD1的MTOC活性更活躍；另外，環(huán)繞在M-GD1和D-GD2中心體周圍的PCM的組成甚至大小都可能會影響到中心體與其他細(xì)胞組分的相互作用。2，有絲分裂紡錘體的位置和指向?qū)е录?xì)胞的不對稱分裂

兩者的運動特性不一樣：其中一個與細(xì)胞皮層錨定，表現(xiàn)為相對惰性，而另外一個活躍地移動到細(xì)胞核的另外一側(cè)。兩個MTOC活性的差異：導(dǎo)致形成的紡錘體極的不同，如果蠅幼蟲的神經(jīng)母細(xì)胞中靠近基底部的紡錘體極核化的微管短，而另側(cè)的紡錘體極核化的微管長。因此基底紡錘體極更靠近基底部，導(dǎo)致中間紡錘體移向細(xì)胞基底端，指導(dǎo)的胞質(zhì)分裂部位更靠近基底端，形成一大一小兩個子細(xì)胞。第四節(jié)：分化的根本原因

差別基因表達(dá)！

一般而言，體內(nèi)各種細(xì)胞均含有物種的全部基因。而在任何時間內(nèi)一種細(xì)胞的基因組中只有一少部分基因在活動。

不同種類細(xì)胞的基因分別選擇性地進(jìn)行活動(表達(dá))的現(xiàn)象——差別基因表達(dá)(differentialgeneexpression)

不同種類細(xì)胞的基因選擇性表達(dá)的結(jié)果，決定了該類細(xì)胞的分化方向持家基因(house-keepinggenes)：

奢侈基因(luxurygenes)：

組織專一性基因(tissue-specificgenes)維持細(xì)胞生存所必需的，這類基因在各種細(xì)胞中都處于活動狀態(tài)在特定組織細(xì)胞中專一性選擇表達(dá)表達(dá)基因如核糖體蛋白、線粒體蛋白、糖酵解酶的編碼基因如血紅蛋白、清蛋白、角蛋白的編碼基因等。表達(dá)的不同基因類型：基因調(diào)控的層次：EpigeneticregulationHistone3modification：MicroRNAslncRNADNA損傷反應(yīng)與細(xì)胞周期

自發(fā)突變誘發(fā)突變化學(xué)物質(zhì)和射線。損傷的DNA在其復(fù)制或分離前得到修復(fù)，因此基因序列上的改變極少會傳遞到子細(xì)胞中。細(xì)胞內(nèi)存在感應(yīng)蛋白，能夠?qū)蚪M進(jìn)行掃描，探測DNA的損傷，招募特定的酶來進(jìn)行修復(fù)?！挥绊懠?xì)胞功能如果DNA的大面積損傷并且不容易修復(fù)，損傷感