第十四章 细胞分化与干细胞

衣 食 住
奢侈品
生存必需品
钻石
汽车
第四节、细胞分化的调节因素
• 1.细胞决定先于细胞分化并制约着分化的方向
• 细胞决定（cell determination）：在个体发育过
程中，细胞在发生可识别的分化特征之前就已经确定了未来的 发育命运，只能向特定方向进化的状态。
• 原肠胚的三胚层形成时，各器官的预订区已经确定， 只能按一定的规律发育分化成特定的组织、器官和系 统。
细胞决定(cell determination)：细胞在发生可识别的形态 变化之前，内部已发生了变化，确定未来的发育命运， 使其受到约束向着特定的方向分化(发育选择) 。
原肠胚早期 发育表皮的细胞
移植到 受体的脑部
原肠胚 晚期
发育为 表皮 的细胞
分化前
分化后
受体 发育为脑
受体 发育为表皮
正常结果
未决定
31
33
分 类（依分化潜能） （一）细胞分化潜能随个体发育进程逐渐“缩窄”
全能（干）细胞（totipotent stem cell）：
含义：具有发育成完整机体能力的细胞； 时期：桑椹胚8细胞期以前，如受精卵卵裂早期。
多能（干）细胞（pluripotent stem cell）：
含义：仅具有发育成本胚层组织的潜能的细胞。 时期：三胚层期的细胞。 经过器官发生，各组织细胞命运最终确定，呈单能化。
共有的蛋白质），如膜蛋白、核糖体蛋白、线粒体蛋白等。 2、奢侈基因（luxury genes）
又称组织特异性基因，不同的细胞类型进行特异表达的基 因，产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与生理功能。
编码奢侈蛋白（对细胞生存无直接影响，是细胞向特殊类 型分化的物质基础），如血红蛋白、肌动蛋白、分泌蛋白等。
• 全能性细胞核（totipotent nucleus）：终末分 化细胞的细胞核仍具有全能性。
• ——（第十六章 细胞工程学）核移植实验
Cell totipotency (细胞全能性)
1958年，美国科学 家斯图尔德用胡萝 卜韧皮部细胞培育 出完整植株的过程
银杉百山祖冷杉
普陀鹅耳枥
• （1）爪蟾核移植
胚胎诱导
鸡胚后肢
鸡的外胚层
芽中胚层
鸡的爪部表皮 鸡胚背部的真皮
衍生物 鳞片
羽毛
鸡的中胚层的结缔组织
外胚层
移植入鸡 胚前肢芽 中胚层中
诱导外胚 层发育成
后肢
胚胎诱导
中胚层的脊索诱导外胚层细胞产生神经板(初级诱导) 神经板 神经管 视杯 视网膜、虹膜
视杯诱导其表面的外胚层发育分化成晶状体(次级诱导)
➢ 卵的异质性使卵的分裂必然是不对称的，不同的子细胞得到的 “家产”不同，因此具有不同的分化命运。
3、胚胎诱导在细胞分化中的作用
胚胎诱导：在胚胎发育过程中，一部分细胞影响相邻 细胞向一定方向分化的作用，称为胚胎诱导(embryonic induction)。诱导组织通过释放旁分泌因子实现。
胚胎诱导特点：胚胎细胞间的相互诱导作用是有层次的。 三个胚层，中胚层首先独立分化，对相邻胚层有很强的分 化诱导作用，促进内胚层、外胚层向各自相应组织器官分 化。
The sheep star: Dolly
c
细胞核是全能的
为什么克隆恐龙不能成功？
“哦，上帝啊！！我被克隆了！”
Albert Einstein
克隆的爱因斯坦会懂“相对论” 吗
Adolf Hitler
希特勒还会那么有激情么？？
第二节 细胞分化潜能-干细胞研究
概念
干细胞（stem cell）是具有自我更新、 高度增殖和多向分化潜能的细胞群体。 即这些细胞可通过分裂维持自身细胞的 特性和大小，又可进一步分化为各种组 织细胞，从而在组织修复等方面发挥积 极作用。
细胞分化的规律：在胚胎发育过程中，细胞逐渐由“全能”
到“多能”，最后向“单能”的趋向。
多能干细胞：可以分化产生2种以上类型的细胞。
造血干细胞(多向性)
原红细胞 (定向性)
粒系巨噬干 细胞(定向性)
原巨核细胞 淋巴母细胞 (定向性)
网织红细胞 原单核细胞
原粒细胞
淋巴细胞
红细胞 单核细胞
早幼粒细胞 血小板 TB
发育两个阶段： 1.胚胎发育：卵裂、囊胚、原肠胚基本发育阶段， 2.胚后发育：三胚层发育——细胞分化的开始
• 2.细胞决定先于细胞分化并制约着分化的方向
• 细胞决定（cell determination）：在个体发育过
程中，细胞在发生可识别的分化特征之前就已经确定了未来的 发育命运，只能向特定方向进化的状态。
第十四章 细胞分化与干细胞
Cellular differentiation and Stem cells
• 1、细胞分化的概念与特点 • 2、干细胞研究 • 3、细胞分化的分子基础 • 4、细胞分化的调节因素 • 5、思考题
第一节 细胞分化的概念与特点
一、细胞分化(cell differentiation)
蜥蜴在较低温度24℃全部发育为雌性，温 度提高到32 ℃则发育成雄性。
iPS (Induced Pluripotent Stem Cells)
Nobel in future ?
俞君英
2008年人造万能血技术在美国问世
• 据英国《泰晤士报》报道：美国科学家利用胚胎干 细胞人工培育出O型阴性血液。由于O型阴性血也 被称为“万能血型”，能够与任何其它血型相匹配， 这就使得人类未来将不必再为血源紧张而发愁。
已决定
2.母源效应基因产物的极性分布决定细胞分化 与发育的命运
✓ （1）动物受精卵并不是均一结构，而具有高度异质性。卵细 胞具有极性，可分为动物极（核靠近的一极）和植物极。
✓ （2）卵细胞中的蛋白质、mRNA并非均匀分布的，而是定位于 特定的空间。
✓ （3）卵的异质性使卵的分裂必然是不对称的，不同的子细胞 得到的“家产”不同，因此具有不同的分化命运。
➢ 甾类激素：脂溶性，与细胞内受体形成受体-激素复合物， 进入核内调控特异基因转录。如：类固醇激素、雌激素。
➢ 多肽类激素：水溶性，结合膜受体，信号传递给细胞核， 影响基因转录。如：促甲状腺素、肾上腺素和生长激素等。
➢ 如：性激素对性分化的影响，乌尔夫氏管与缪勒氏管的发育。 ➢ 再如：两栖类尾部的退化；是一种远距离细胞间相互作用对细
Human: 1014 cells, >200 cell types
细胞分裂
细胞分裂
受精卵――――--胎儿――――----成人
细胞分化
细胞分化
受精卵
胎儿
成人
【学习目标】：
1、基本概念：细胞分化；奢侈基因；管家基因；细 胞决定；细胞全能性；干细胞；胚胎干细胞；成体干 细胞；全能干细胞；多能干细胞 2、掌握细胞分化的基本概念及特点； 3、熟悉细胞全能性和干细胞的概念、分类和特点； 3、了解细胞分化的影响因素；
第三节 细胞分化的分子基础
一、细胞分化是基因选择性表达的结果
细胞分化本质：基因的选择性表达，一些基因处于活化状
态，另一些基因被抑制。 （1）由于基因选择性的表达各自特有的专一性蛋白质由
此导致了细胞在形态、结构与功能的差异。 （2）尽管分化的细胞类型千差万别，但究其本质是基因
组保持相同而表达的基因不同，从而在形态结构、生理功能及 生物学行为方面均有所不同。
移植到 受体的脑部
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原肠胚 晚期
发育为 表皮 的细胞
分化前
分化后
受体 发育为脑
受体 发育为表皮
正常结果
未决定
已决定
二.动物胚胎的三胚层细胞的分化去向
终末分化 细胞
三. 终末分化细胞的细胞核具有全能性
• 细胞全能性(totipotency)：指细胞经分裂和分 化后仍具有产生完整有机体的潜能和特性，称 为细胞的全能性。
显微操作仪
Dolly的标本和伊恩博士
（2）Dolly羊核 移植
Dolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊Dolly由英国爱丁堡大学 的伊恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺结核而被安乐死，它的 标本于2003年4月9日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。
Dolly: A lamb with no father
中性 嗜酸性 嗜碱性
粒细胞 粒细胞 粒细胞
巨噬细胞
(二)干细胞与医学
源于胚胎干细胞的细胞已能或可能治疗许多疾病
神经细胞 心肌细胞 B型胰岛细胞 软骨细胞 白细胞 皮肤细胞 肝细胞 骨细胞 视细胞 骨骼肌细胞
治疗
38
帕金森病 心肌梗死 糖尿病 骨关节炎 白血病 烧伤和创伤 肝炎 骨质疏松症 视网膜退化 肌营养不良
• 原肠胚的三胚层形成时，各器官的预订区已经确定， 只能按一定的规律发育分化成特定的组织、器官和系 统。
细胞决定(cell determination)：细胞在发生可识别的形态 变化之前，内部已发生了变化，确定未来的发育命运， 使其受到约束向着特定的方向分化(发育选择) 。
原肠胚早期 发育表皮的细胞
——由单个受精卵产生的细胞，在形态结构、生化组成和功能 等方面均有明显的差异，形成这种稳定性差异的过程，称为细 胞分化（cell differentiation）。
细胞分化是由于基因选择性的表达 各自特有的专一性蛋白质由此导致 了细胞在形态、结构与功能的差异。
特点：稳定性、可逆性
1. 多细胞生物的个体发育过程
胞分化的影响，主要是通过激素来调节的，如甲状腺素。
激
胎龄3~5周
素
XX
XY
对
上皮皮质
细
胞
卵巢
间充质
睾丸
分
化
副中肾管 副中肾管抑制物
9~11周 10~11周
的
退化
睾丸酮
输卵管、子宫、
调
阴道上部 退化
中肾管
节
10~15周
输精管
作
外生殖器原基 双氢睾丸酮
用
阴门
阴茎、阴囊
5、环境对性别决定的影响
性别决定是细胞分化和生物个体发育研究 领域的重要课题之一。
细胞分化与干细胞
Cellular differentiation and Stem cells
主讲：李中文
增殖
增殖
如果只有细胞增殖，没有细胞分化， 就只能形成一细胞团，而不能形成人体。
神经细胞
红细胞
肌肉细胞 都精是卵来，自咋上同 就皮一不组个一织受样细胞
了呢？？？
细胞分化产生不同类型的细胞构成生物体的组织 和器官，执行不同的功能。
经板(初级诱导)
胚胎诱导的机 制尚不清楚，通过 化学诱导物现实的， 化学诱导物从诱导 组织进入反应组织。
2. 分化抑制： 分化好的细
胞抑制邻近的细 胞进行同样的分 化。例， 成体 蛙心对蛙胚胎心 脏发育的抑制。
4.激素对细胞分化的调节
➢ 远距离细胞间相互作用的分化调节因子。分为：甾类激素和多 态类激素。
• 美国新任总统奥巴马上任后不久就取消布什2001年 设立的限制，允许联邦资助用于医疗目的的胚胎干 细胞研究。
I support the hES cells
Nature：利用干细胞培育出人工精子卵子
• 2009年10月，美国科学家在实验室中通过 人体干细胞制造出人工精子和卵子，在为 无数不孕不育症夫妇带来福音的同时，也 为人类的亲子关系带来无穷争论。
二、细胞分化的基因表达调控主要发生在转录水平
general transcription factor TAFII or TAF250
三、管家基因与组织特异性基因
1、管家基因（house keeping genes) 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。 编码管家蛋白（维持细胞生命活动所必需的、各类细胞
• 通过胚胎干细胞生产血液，还可以避免因为献血和 输血而引起的病原体感染。血液生产只是胚胎干细 胞研究的首项应用，此后必将在临床医学中得到更 为广泛的应用。
• 2009年1月，美国最大的干细胞公司Osiris宣布，骨髓 间充质干细胞（Prochymal）成为世界上第一个获准 的干细胞治疗产品，这是干细胞领域一次里程碑式 的飞跃。
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分 类（依发生学）
胚胎干细胞（embryonic stem cell, ESC）：是指来 源自受精卵分裂发育成囊胚时内细胞团（Inner Cell Mass） 中未分化的细胞，它具有体外培养无限增殖、自我更新和 多向分化的特性。
成体干细胞（adult stem cell, ASC）：来源于成体 组织器官中，具有自我更新及分化产生不同组织细胞能力 的细胞。
晶状体、视网膜诱导其表面的外胚层发育分化成角膜 (三级诱导)
前脑壁 视泡
结缔组织 外胚层
视杯
视网膜色 素上皮
晶状体 视网膜神
经上皮
角膜
晶状 体泡
中胚层的脊索诱导外胚层细胞产生神经板(初级诱导)
神经板
胚胎诱导
脊索
微管延长使细胞变成柱形
神经管 外胚层 神经脊
微丝收缩使细胞上部变窄
中胚层的脊索诱导 外胚层细胞产生神