細胞分化-細胞生物學(xué).ppt

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第十二章細胞分化celldifferentiation,一、概念二、細胞分化的物質(zhì)基礎(chǔ)和特點三、細胞分化的可逆性和全能性四、細胞分化的實質(zhì)五、細胞分化的機理六、影響細胞分化的因素七、癌細胞,,,,,,一、概念,細胞分化（celldifferentiation）是一種類型的細胞在形態(tài)結(jié)構(gòu)生理功能和生化特性等方面穩(wěn)定地轉(zhuǎn)變成另一類型細胞的過程。黑色素細胞體外培養(yǎng)三十多代多細胞生物中細胞分化發(fā)生于整個生活史中，但胚胎期是最重要的分化期細胞分化發(fā)生于一切真核細胞中，并可追溯到原核細胞,,二、細胞分化的物質(zhì)基礎(chǔ)和特點,(一)細胞分化的物質(zhì)基礎(chǔ)新的性狀=新的蛋白質(zhì)（二）細胞分化的特點1、決定性在能識別一個細胞的分化以前，就有了一個預(yù)先保證細胞怎樣變化的時期，這個階段稱為細胞決定（celldetermination）。如動物受精卵的卵裂（動物極，植物極）,（1）細胞決定的穩(wěn)定性和遺傳性成蟲盤細胞9年，1800代后,將成蟲盤取出再移到幼蟲體內(nèi)，當(dāng)幼蟲變態(tài)時被移植的成蟲盤細胞仍發(fā)育成相應(yīng)的成體結(jié)構(gòu)。,a、正常果蠅的觸角為具芒觸角；b、突變果蠅的觸角發(fā)育為足引自LehningerPrinciplesofBiochemistry3rded.,,（2）轉(zhuǎn)決定（transdetermination）即決定的細胞改變了原來的預(yù)定發(fā)育方向，使細胞分化的結(jié)果偏離決定方向，也就是從一種遺傳狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種遺傳狀態(tài)稱為轉(zhuǎn)決定轉(zhuǎn)決定的發(fā)生是遺傳性突變的結(jié)果，它是一群細胞而不是單一細胞發(fā)生變化。轉(zhuǎn)決定的細胞：其它類型（同源異形）或原初狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。,2、時空性“時”=不同的發(fā)育階段“空”=環(huán)境3、不可逆性一個細胞一旦分化成穩(wěn)定類型以后，就不能逆轉(zhuǎn)到未分化狀態(tài)。如哺乳動物高度分化的成熟紅細胞不會再返回到有核的前體細胞。有機體常保留一部分未分化的多能性干細胞，可用來彌補失去的可逆性，一旦需要，干細胞即進行分裂，新細胞按發(fā)育途徑產(chǎn)生專一的分化細胞。,三、細胞分化的可逆性和全能性,細胞分化絕對是不可逆的？1958Steward：,分化的細胞→脫分化（dedifferentiation）→胚性細胞的狀態(tài)→再分化（redifferentiation）→根莖→完整植株，與胚胎發(fā)育過程相似。,細胞全能性（totipotency）指已經(jīng)分化的細胞在一定條件下不僅能脫分化，而且還保持著全套基因組織，并且有再生生物體的遺傳潛力。1964年Guha等培養(yǎng)毛葉曼陀羅的花藥產(chǎn)了單倍體花粉植物，動物細胞也能象植物細胞那樣脫分化而再生新的肢體，如蠑螈在切除肢體后可再生。(一)植物細胞全能性已被廣泛用于生產(chǎn)實踐中，現(xiàn)已培養(yǎng)出一大批包括水稻、小麥、煙草、苗木、花卉等。,（二）動物細胞的全能性受精卵能夠分化出各種細胞、組織，形成一個完整的個體。隨著分化發(fā)育的進程，細胞逐漸喪失其分化潛能。,細胞分化潛能的改變,,全能性（totipotent）多能性（pluripotency)單能性（monopotency)終末分化（terminaldifferentiation),1．全能性細胞僅在低等動物中存在或高等動物在胚胎發(fā)育的早期。2．全能性細胞核現(xiàn)在的技術(shù)手段還不能使已分化的高等動物細胞直接再生成完整個體，但許多研究證明已分化的細胞核仍保持著全套基因組并在一定條件下可具有全能性。,Gurdon（62，74，75）用非洲爪蟾為材料進行核移植，證明了已分化細胞核仍保持著全套的基因組。童第周1978曾報導(dǎo)將黑斑蛙的紅細胞核移入去核的黑斑蛙的卵，核即分裂，卵發(fā)育成正常蝌蚪，血細胞核變成各種有功能的細胞核。,1997年克隆羊的誕生（Wilmut）說明高度分化的細胞核仍具有全能性3．不可逆的分化細胞哺乳動物的紅細胞成熟后失核，馬副蛔蟲體細胞染色體消減（染色體失去達80％）等屬此類。,具有相同基因組成的細胞為什么會出現(xiàn)不同的性狀呢？肌細胞：收縮性蛋白質(zhì)紅細胞：血紅蛋白,四、細胞分化的實質(zhì),細胞分化歸根到底在于特定基因的表達即細胞分化的實質(zhì)（本質(zhì)）是基因表達的調(diào)控問題。differentiationProcessusuallyinvolvingchangesingeneexpressionbywhichaprecursorcellbecomesadistinctspecializedcelltype,（一）基因的差次表達（differentialexpression，順序表達sequential）胚胎在發(fā)育過程中之所以相繼出現(xiàn)新的細胞類型是由于有關(guān)的特定基因按照一定順序相繼活化的結(jié)果，這種現(xiàn)象稱基因的差次表達。,（二）奢侈基因與管家基因1．奢侈基因（luxurygene）指與各種分化的特殊性狀有直接關(guān)系的基因，是編碼組織特異性蛋白的基因，對細胞生存無多大影響。如血紅蛋白、絲心蛋白的基因。其特點是：（1）在特定的分化細胞中表達；（2）只在特定的時間內(nèi)表達；（3）對細胞的生存無直接影響；（4）對細胞的分化起決定性作用。,2．管家基因（housekeepinggene）指維持細胞最低限度的生命活動所不可缺少的基因，是細胞生存所必須的。如編碼與細胞分裂及能量代謝有關(guān)的蛋白質(zhì)的基因，其特點是：（1）所有細胞共有；（2）細胞周期的任何時期都表達；（3）對細胞分化只起協(xié)助作用。,管家基因與奢侈基因的拷貝數(shù)？重復(fù)基因（repeatedorduplicatedgene）非重復(fù)基因（unrepeatedoruniquegene）重復(fù)106以上稱為高度重復(fù)，如隨體DNA，102－5中度重復(fù)rRNA、tRNA、5sRNA的基因。非重復(fù)基因，重復(fù)次數(shù)102以下，如絲心蛋白的基因。管家基因=中度重復(fù)；奢侈基因=非重復(fù)基因，但有例外如羽毛角蛋白的基因100―240。,,五、細胞分化的機理,（一）細胞分化與基因本身的變化分化的細胞或核具有全能性為何致癌病毒基因整合到宿主細胞引起細胞癌變，說明基因本身的變化與細胞分化有一定關(guān)系，現(xiàn)認為基因活性的變化與DNA的甲基化和DNA重排有關(guān)。,（二）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄控制(transcriptionalcontrol)是真核生物控制基因表達的重要調(diào)控方式，通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控，使基因在不同組織中進行差異表達。如何判斷兩種組織中差異蛋白的來源?轉(zhuǎn)錄調(diào)控的實驗證據(jù)：組織特異性mRNA。1．唾腺染色體疏松區(qū)和Puff位置的變化說明細胞分化過程中染色體的基因按照一定順序進行差次表達，什么因素導(dǎo)致基因的開關(guān)轉(zhuǎn)錄出不同的mRNA？,2．染色質(zhì)重組實驗Gilmour和paul取兔子胸腺和骨髓細胞的染色質(zhì)分別分離出DNA、非組Pr和組Pr，用重組的染色質(zhì)作模板，加入RNA聚合酶和各種前體核苷酸就可合成RNA,結(jié)果如下：（1）未分離的胸腺染色質(zhì)能合成胸腺mRNA（2）未分離的骨髓染色質(zhì)能合成骨髓mRNA（3）重組的胸腺染色質(zhì)能合成胸腺mRNA（4）重組的骨髓染色質(zhì)能合成骨髓mRNA（5）[骨髓DNA＋組Pr＋胸腺DNA＋組Pr]＋胸腺非組蛋白重組后→合成胸腺mRNA（6）[骨髓DNA＋組Pr＋胸腺DNA＋組Pr]＋骨髓非組蛋白重組后→合成骨髓mRNA,染色體重組實驗表明，非組蛋白與基因選擇性表達的調(diào)節(jié)密切相關(guān)，特異的非組Pr可能決定相應(yīng)的特定基因的轉(zhuǎn)錄，即調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄過程中的調(diào)控因素是非組Pr。但也有人證明mRNA是基因表達的激活因素（牛滿江1970，孵化16―18小時的雞胚切成兩半，放在生理鹽水中或心臟的mRNA中浸泡后培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)在生理鹽水中浸泡過的雞胚發(fā)育正常，而心臟mRNA浸過的心臟發(fā)育特大，而其它均發(fā)育不良，故牛滿江認為心臟的mRNA激活了心肌的基因表達）。,3.組蛋白轉(zhuǎn)移模型（histonedisplacementmodel）Stein1975年提出組蛋白轉(zhuǎn)移模型：組蛋白與DNA鏈結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)錄，非組蛋白在一定的部位與DNA結(jié)合，它發(fā)生磷酸化帶上負電荷，即與帶正電荷的組蛋白牢固結(jié)合而使DNA裸露（結(jié)合物從DNA上離開）使此部位DNA發(fā)生轉(zhuǎn)錄。,組蛋白能使基因的轉(zhuǎn)錄過程關(guān)閉，而非組蛋白則能有選擇地使基因的轉(zhuǎn)錄過程打開。,這只是大概的認識有許多細節(jié)不能解釋清楚：如非組蛋白種類很多，那種非組蛋白調(diào)節(jié)哪種基因的轉(zhuǎn)錄？組蛋白被包圍在核小體內(nèi)在轉(zhuǎn)錄時怎樣使其脫離？而非組蛋白也是受基因編碼的，其調(diào)節(jié)如何都有待進一步研究。,（三）轉(zhuǎn)錄后調(diào)控轉(zhuǎn)錄后調(diào)控指mRNA的后加工及其降解。1．簡單的轉(zhuǎn)錄本的加工2．復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄本的加工,（四）翻譯（轉(zhuǎn)譯）水平的調(diào)節(jié)細胞質(zhì)中進行的轉(zhuǎn)譯水平的調(diào)控包括:mRNA穩(wěn)定性的控制、翻譯起始的控制、翻譯效率、差別翻譯等。對于翻譯水平的調(diào)節(jié)目前有的實驗表明分化細胞內(nèi)并無專門調(diào)節(jié)mRNA翻譯的機制，而有些實驗則揭示存在翻譯水平的調(diào)節(jié)。,1．Gurdon（1971）把兔、小鼠、鴨等的血紅蛋白mRNA及牛晶體蛋白mRNA分別注入非洲爪蟾的卵母細胞中，結(jié)果這些異體mRNA都很穩(wěn)定并翻譯成相應(yīng)的Pr，說明非洲爪蟾卵母細胞的轉(zhuǎn)譯機構(gòu)無特異性。,2．Woodland（1974）把兔、小鼠的血紅蛋白的mRNA注射到非洲爪蟾的受精卵，發(fā)現(xiàn)這些mRNA穩(wěn)定，并在第八天（蝌蚪期）發(fā)現(xiàn)有兔、小鼠的血紅蛋白，它存在于蝌蚪的任一組織內(nèi)，包括肌肉。說明異源mRNA穩(wěn)定并在分化的細胞中也可表達，這說明分化細胞內(nèi)并無專門控制某種mRNA轉(zhuǎn)譯的機制。,3．童第周和牛滿江（1975）鯽金魚鯉金魚,4．翻譯效率兔紅細胞前體中提取mRNA，它們含有大量的α、β鏈合成的mRNA，注入蛙卵母細胞，β鏈合成約為α鏈5倍（5:1）似乎在卵蛙母細胞中βmRNA轉(zhuǎn)譯效率高，可是把血紅素一塊注射蛙卵母細胞中，α、β產(chǎn)量相同.說明血紅素可能通過影響轉(zhuǎn)譯的速度而對基因表達進行某種調(diào)控。5．卵母細胞的翻譯調(diào)控在許多脊椎動物和無脊椎動物的未受精卵細胞質(zhì)中貯存許多mRNA，但它們大部分不用來翻譯，只有受精后才能翻譯。,,受精引起新的mRNA合成?,放線菌素D(actinomycinD)=RNA合成抑制劑,關(guān)于其活化機理推測是受精前被蛋白質(zhì)遮蓋或局限在某特定部位不轉(zhuǎn)譯，受精后擺脫束縛才轉(zhuǎn)譯。這些貯存在卵母細胞中沒有翻譯活性的mRNA常被稱作“隱蔽”mRNA(maskedmRNA)，受精后mRNA從無活性到有活性狀態(tài)的轉(zhuǎn)變發(fā)生相當(dāng)快。這些預(yù)存mRNA的激活與兩個不同的事件有關(guān)：一是結(jié)合的抑制蛋白被釋放，二是通過卵細胞質(zhì)中一種酶的作用使mRNA多聚(A)尾巴長度增加。,（五）翻譯后調(diào)控在真核生物中許多激素的合成都是以一個共同的前體合成的，稱為聚蛋白，然后切割成不同的蛋白質(zhì)。但是在不同的組織中，切割的方式是不同的，因此相同的基因在不同的組織中合成不同的激素蛋白。例如多肽蛋白阿黑皮素原(pro-opiomelanocortinPOMC)的合成就是一例,一、概念二、細胞分化的物質(zhì)基礎(chǔ)和特點基礎(chǔ)是新的蛋白質(zhì)的產(chǎn)生特點是（1）決定性（2）時空性（3）不可逆性三、細胞分化的可逆性和全能性四、細胞分化的實質(zhì)奢侈基因的表達五、細胞分化的機理5層次或者說3水平,課后閱讀資料：1.克隆羊多莉前世今生2.世界上首只克隆羊多利被執(zhí)行“安樂死”3.Viableoffspringderivedfromfetalandadultmammaliancells.WilmutI,SchniekeAE,McWhirJ,KindAJ,CampbellKH.Nature.1997Feb27;385(6619):810-3.4.《真核基因表達調(diào)控》(修訂版)沈珝琲方福德主編北京高等教育出版社19971999年全國優(yōu)秀科技圖書暨科技進步一等獎思考題：克隆羊的誕生涉及細胞生物學(xué)的哪些技術(shù)？它為何早衰？,,