第14章细胞分化与基因表达调控.ppt

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1、1第十四章第十四章细胞分化与基细胞分化与基因表达调控因表达调控 214.1 14.1 细胞分化细胞分化 在个体发育中在个体发育中,细胞的后代在形态、结构细胞的后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为和功能上发生差异的过程称为细胞分化细胞分化(differentiation)(differentiation)，其本质是基因选择性，其本质是基因选择性表达的结果，即基因表达调控的结果。表达的结果，即基因表达调控的结果。细胞分化的关键在于组织特异性基因在时细胞分化的关键在于组织特异性基因在时间、空间上的选择性表达，导致特异性蛋白间、空间上的选择性表达，导致特异性蛋白质的合成质的合成3细细胞胞分分化化

2、4 分化细胞的特点分化细胞的特点分化细胞具有以下四个特点：个体中所有不同种类的细胞的遗传背景完全一样。分化细胞彼此之间在形态、结构、功能方面的不同是由于其拥有不同的蛋白质所致。细胞分化中最显著的特点是分化状态的稳定性。虽然细胞分化是一种相对稳定和持久的过程,但是在一定的条件下,细胞分化又是可逆的。5一、细胞分化的基本概念一、细胞分化的基本概念细胞分化是基因选择性表达的结果细胞分化是基因选择性表达的结果细胞总 DNA细胞总 RNA输卵管细胞成红细胞胰岛细胞输卵管细胞成红细胞胰岛细胞卵清蛋白基因 +-珠蛋白基因 +-+-胰岛素基因 +-+实验方法 Southern 杂交 Northern 杂交分子

3、杂交技术检测基因及其表达分子杂交技术检测基因及其表达6组织特异性基因与管家基因组织特异性基因与管家基因管家基因管家基因(house-keeping genes)：管家基因是指管家基因是指 所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的；细胞基本生命活动所必需的；组织特异性基因组织特异性基因(tissue-specific genes)，或称奢侈基，或称奢侈基因因(luxury genes)：是指不同的细胞类型进行特异性：是指不同的细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异

4、的形态结构特征与特异的功能结构特征与特异的功能 调节基因调节基因产物用于调节组织特异性基因的表达，产物用于调节组织特异性基因的表达，起激活或者起阻遏作用起激活或者起阻遏作用7组合调控引发组织特异性基因的表达组合调控引发组织特异性基因的表达组合调控概念：组合调控概念：有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化 生物学作用：生物学作用：借助于组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与其它调借助于组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与其它调控蛋白形成适当的调控蛋白组合，不仅可以将一种类型的控蛋白形成适当的调控蛋白组合，不仅可以将一种类型的 细胞转

5、化成另一种类型的细胞，而且遵循类似的机制，甚细胞转化成另一种类型的细胞，而且遵循类似的机制，甚至可以诱发整个器官的形成。至可以诱发整个器官的形成。分化分化启动机制：启动机制：靠一种关键性调节蛋白通过对其他调节蛋白的级联启动。靠一种关键性调节蛋白通过对其他调节蛋白的级联启动。8单细胞有机体的细胞分化单细胞有机体的细胞分化与多细胞有机体细胞分化的不同之处：与多细胞有机体细胞分化的不同之处：前者多为适应不同的生活环境，而后者则通前者多为适应不同的生活环境，而后者则通过细胞分化构建执行不同功能的组织与器官。过细胞分化构建执行不同功能的组织与器官。多细胞有机体在其分化程序与调节机制多细胞有机体在其分化程

6、序与调节机制方面显得更为复杂。方面显得更为复杂。9转分化与再生转分化与再生一种类型分化的细胞转变成另一种类型的分化细胞现象称转一种类型分化的细胞转变成另一种类型的分化细胞现象称转分化（分化（transdifferentiation）。）。转分化经历去分化（转分化经历去分化（dedifferentiation）和再分化的过程。）和再分化的过程。生物界普遍存在再生现象（生物界普遍存在再生现象（regeneration），再生是指生物体），再生是指生物体缺失部分后重建过程，广义的再生可包括分子水平、细胞水平、缺失部分后重建过程，广义的再生可包括分子水平、细胞水平、组织与器官水平及整体水平的再生。组织

7、与器官水平及整体水平的再生。不同的细胞有机体，其再生能力有明显的差异。不同的细胞有机体，其再生能力有明显的差异。10二、二、影响细胞分化的因素影响细胞分化的因素细胞的全能性细胞的全能性(totipotency)：是指细胞经分是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。11植物细胞具有全能植物细胞具有全能性，在适宜的条件性，在适宜的条件下可培育成正常植下可培育成正常植株株12动物细胞的全能性动物细胞的全能性如蛙红细胞核移植后发如蛙红细胞核移植后发育成蝌蚪育成蝌蚪Dolly羊的诞生说明高度羊的诞生说明高度分化的哺乳动物体细胞核分化的哺乳动物体

8、细胞核也具有发育全能性也具有发育全能性干细胞干细胞(Stem cell)与细与细胞发育潜能胞发育潜能13 干细胞具有以下几个特点:干细胞本身不是终末分化细胞(即干细胞不是处于分化途径的终端);干细胞能无限地分裂;干细胞分裂产生的子细胞只能在两种途径中选择其一:或保持亲代特征,仍作为干细胞,或不可逆地向终末分化。干细胞可以分为专能干细胞和多能干细胞。专能干细胞 多能干细胞14影响细胞分化的因素影响细胞分化的因素胎儿的发育胎儿的发育1516影响细胞分化的因素影响细胞分化的因素胞外信号分子对细胞分化的影响胞外信号分子对细胞分化的影响,如眼的发生如眼的发生细胞记忆与决定细胞记忆与决定 果蝇成虫盘果蝇成

9、虫盘(imaginal disc)受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响细胞间的相互作用与位置效应细胞间的相互作用与位置效应环境对性别决定的影响环境对性别决定的影响染色质变化与基因重排对细胞分化的影响染色质变化与基因重排对细胞分化的影响17 激素和细胞因子的作用激素和细胞因子的作用 激素对细胞分化的影响可看作是远距离细胞间的相互作用,这种作用出现在发育的晚期,激素引起的反应是按预先决定的分化程序进行的,其作用主要是引起靶细胞进行分化。例如,激素和某些细胞因子对哺乳动物性别分化的调节。无尾两栖类的幼体发育要经过一变态阶段(metamorphosis),在此阶

10、段中发生的变化有蝌蚪的尾鳍和尾部被吸收,前后肢形成等。这些变化与甲状腺分泌的甲状腺素(thyroxine,T4)和三碘甲状腺氨酸(triiodothyronine,T3)有关系。18细胞分化中的核质关系细胞分化中的核质关系细胞决定细胞决定(cell determination)(cell determination)细胞决定是指细胞在发生可识别的形态变化之前,就已受到约束而向着特定方向分化,这时细胞内部已发生变化,确定了未来的发育命运,这就是决定。胚胎细胞分化的潜能与决定胚胎细胞分化的潜能与决定 细胞决定可看作分化潜能逐渐限制的过程,决定先于分化。19卵细卵细胞与胞与体细体细胞的胞的比较比较2

11、0细胞决定细胞决定 卵细胞质决定子在细胞决定中的作用卵细胞质决定子在细胞决定中的作用 从受精卵第一次卵裂开始从受精卵第一次卵裂开始,细胞核就受到内细胞核就受到内环境环境(即不同的卵细胞质即不同的卵细胞质)的影响。这些特殊细的影响。这些特殊细胞质组分称为细胞质决定子胞质组分称为细胞质决定子(cytoplasmic(cytoplasmic determinants)determinants)。决定子支配着细胞分化的途。决定子支配着细胞分化的途径。受精卵在数次卵裂中径。受精卵在数次卵裂中,决定子一次次地被决定子一次次地被重新改组、分配。卵裂后重新改组、分配。卵裂后,决定子的位置固定决定子的位置固定下

12、来下来,并分配到不同的细胞中并分配到不同的细胞中,子细胞便产生差子细胞便产生差别。别。21细胞决定细胞决定 性细胞决定子性细胞决定子 果蝇卵在受精后的果蝇卵在受精后的2 2小时内只进行核分裂小时内只进行核分裂,细胞质不分裂细胞质不分裂,形成合胞体胚胎。随后核向卵形成合胞体胚胎。随后核向卵边缘迁移边缘迁移,细胞的分化命运决定于核迁入不同细胞的分化命运决定于核迁入不同的细胞质区域。迁入卵后端极质中的形成极细的细胞质区域。迁入卵后端极质中的形成极细胞胞,最后分化为生殖细胞。最后分化为生殖细胞。极质中含有膜包裹的颗粒装物质极质中含有膜包裹的颗粒装物质,称为极粒称为极粒(polar ganule)(po

13、lar ganule)。当核进入极质后。当核进入极质后,极粒围绕极粒围绕在核周围在核周围,诱导极细胞分化为生殖细胞。因此诱导极细胞分化为生殖细胞。因此,生殖细胞的分化决定于细胞质中的极质。生殖细胞的分化决定于细胞质中的极质。22性细胞决定性细胞决定23细胞决定细胞决定 体细胞决定子体细胞决定子 体细胞的分化方向同样受细胞质的决体细胞的分化方向同样受细胞质的决定。果蝇幼虫从前到后分布着若干未分定。果蝇幼虫从前到后分布着若干未分化的成虫盘化的成虫盘,前部胚盘和后部胚盘分别发前部胚盘和后部胚盘分别发育为成虫的前部育为成虫的前部(头、胸和前腹部头、胸和前腹部)和后和后腹部结构。腹部结构。24果蝇的体果

14、蝇的体细胞决定细胞决定25卵细胞质的母体效应卵细胞质的母体效应 母体效应母体效应(maternal-effect)(maternal-effect)卵母细胞中贮存的mRNA和蛋白质的分布是不均匀的,各种mRNA在细胞中都有定位分布,并随卵裂进入不同的子细胞中。26卵细胞中的母体信息卵细胞中的母体信息27细胞分化中的核质关系细胞分化中的核质关系 细胞质对细胞核的作用细胞质对细胞核的作用 当鸡的红细胞与培养的人Hela细胞(去分化的癌细胞)融合后,核的体积增大20倍,染色质松散,出现RNA和DNA合成,鸡红细胞核的重新激活是由于Hela细胞的细胞质调节的结果；将培养的爪蟾肾细胞核注入蝾螈的卵母细胞

15、内,分析蛋白质合成情况发现,原来在肾细胞中表达的基因,这时不表达,而原来不表达的基因,这时却被激活。28蛙蛙的的核核移移植植实实验验29细胞的相互作用对分化的影响细胞的相互作用对分化的影响细胞分化中的诱导与抑制细胞分化中的诱导与抑制 胚胎诱导胚胎诱导(embryonic induction)动物在一定的胚胎发育时期,一部分细胞影响相邻细胞使其向一定方向分化的作用称为胚胎诱导,或称为分化诱导。能对其他细胞的分化起诱导作用的细胞称为诱导者或组织者。3014.2 癌细胞癌细胞癌症是一种严重威胁人类生命安全的疾病。动物癌症是一种严重威胁人类生命安全的疾病。动物体内细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞称为肿

16、体内细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞称为肿瘤细胞瘤细胞(tumor cell)。具有转移能力的肿瘤称为。具有转移能力的肿瘤称为恶恶性肿瘤性肿瘤（malignancy）。单一细胞癌变就会形成）。单一细胞癌变就会形成癌症。癌症。31一癌细胞的基本特征癌细胞的基本特征细胞生长与分裂失去控制，具有无限增殖能力细胞生长与分裂失去控制，具有无限增殖能力具有扩散性具有扩散性 恶性肿瘤细胞（癌细胞）的细胞间粘着性下降，具有侵恶性肿瘤细胞（癌细胞）的细胞间粘着性下降，具有侵润性和和扩散性，这是癌细胞的基本特征润性和和扩散性，这是癌细胞的基本特征 在分化程度上癌细胞低于良性肿瘤细胞，且失去了许在分化程度上癌细胞低于良性肿瘤细胞，且失去了许 多原组织细胞的结构和功能多原组织细胞的结构和功能细胞间相互作用改变细胞间相互作用改变蛋白表达谱系或蛋白活性改变蛋白表达谱系或蛋白活性改变 mRNA转录谱系的改变转录谱系的改变 染色体非整倍性染色体非整倍性32扩散性：扩散性：染色体非染色体非整倍性整倍性33体外培养的恶性转化细胞的特征体外培养的恶性转化细胞的特征 恶性转化细胞同癌细胞一样具有无限增殖的潜能恶性转化细胞同癌