细胞分化

如多利羊的产生，是由分化成熟的乳腺
细胞核与去核卵融合发育来的，含有乳
腺细胞的遗传物质(图，11-1多利羊)。
（二）细胞决定
1．细胞决定(cell determination)：
细胞决定是指细胞从分化方向确定开始 到出现特异形态特征之前的过程，简称决 定。 细胞在决定的状态下，无形态及生化的 特异性，但细胞沿着特定类型分化的能力 已稳定下来。
（三）DNA甲基化
1．DNA甲基化： DNA甲基化指在DNA复制后，由甲基化 酶将腺苷甲硫氨酸的甲基转移到胞嘧啶 的5位上的碱基修饰(图，汪P599) 。 甲基化位点：发生在二核苷酸序列5’CG-3’中的C上，成5’-mCG-3’ 。
2．DNA甲基化的意义 (1)甲基化使基因表达失活，在甲基化位 置上可阻止转录因子的结合，故DNA甲 基化与基因转录的抑制有密切联系。基 因越活跃，甲基化程度越低。 (2)在发育过程中， DNA的甲基化可使完 成一定作用的基因关闭。
(1)α基因簇：
①α基因簇位于16pter-p13.2，总长度30kb。 δ α1 包括 α2 ψδ ψα ②α基因的结构：每个α基因有3个外显子和2个 内含子，即IVS1和IVS2。可合成含141个氨基 酸的肽链。 (图，7-1)
奢侈基因占基因总数的5~10%。
(1)持家基因：指导合成细胞维持生存所 必须的基础蛋白质的基因。 如合成组蛋白、膜蛋白、核糖体蛋白、细 胞周期蛋白等的基因。 (2)奢侈基因：指导合成细胞分化的各种 特异蛋白质的基因。
如合成肌动蛋白和肌球蛋白，角蛋白，血 红蛋白等的基因。
二、细胞分化基因表达的调节
(1)顺式作用元件：是DNA的特异序列，
可被反式作用因子(DNA调节蛋白)识别
并结合，从而对其邻近基因起调节作用。
(2)顺式作用元件不编码蛋白质，位于基
因旁侧或内含子中。
(3)顺式作用元件包括 启动子：决定基因转录起始，位于转录起始点 5’上游100~200bp范围内，含3个保守性很强的 DNA序列，如TATA框，CAAT框，GC框。
(1)受精卵卵裂时核物质均等分配，子细 胞是等能的。 (2)受精卵细胞质物质分布不均一，卵裂 时分配不均等，对细胞分化有重要影响。 (3)受精卵细胞质中影响分化的物质称决 定子，其在受精卵中的特殊定位以及卵 裂时的不均等分配，称为细胞质定域。
①细胞质定域决定胚胎的发育 例如，蛙受精卵的灰新月物质决定脊索中胚层和 神经板的分化。 (图，两栖类卵)
细胞分化
细胞分化的基本概念 细胞分化的分子基础 影响细胞分化的因素 细胞分化和癌细胞
第一节
细胞分化的基本概念
一、细胞分化的概念
1. 细胞分化(cell differentiation)：
指个体发育过程中，细胞后代之间在形
态结构、生化组成和功能上向专一性和
特异性方向发展，逐渐产生稳定性差异 的过程。
①如基因甲基化与鸡卵清蛋白的表达：
对鸡不同组织中卵清蛋白、伴清蛋白、
卵类粘蛋白基因的表达与甲基化之间的
关系研究表明，生蛋母鸡的输卵管细胞
上述基因甲基化程度低，其他组织上述
基因甲基化程度高，因为他们不表达。
三、基因选择性表达的例子
以血红蛋白基因在胚胎发育不 同时期的表达为例
(一)血红蛋白的结构
1. 血红蛋白(hemoglobin,Hb)：是一种含有色素 辅基的结合蛋白质。
细胞对分化基因表达从三个水平调节：
转录水平：最重要
翻译水平(不讲) 蛋白质活化水平(不讲)
转录水平的调控有三种不同的方式：
①顺式作用因子与反式作用元件：调节
基因表达(转录)的起始及转录速度。
②同源框基因：调节胚胎发育。
③DNA甲基化：使暂不表达的基因关闭。
（一）
顺式作用元件与反式作用因子
1．顺式作用元件
(2)反式作用因子的种类
①通用转录因子：与TATA框结合，起始
转录。如转录因子TFⅡA,TFⅡB,TFⅡD等。
(图，11-4)
②基因调节蛋白：与顺式作用元件中
DNA调节序列结合的特定转录因子。
(3)反式作用因子的作用特点： ①能识别顺式作用元件中的特异靶序列； ②对基因表达有正、负调控作用，即可 激活或抑制基因表达；
触角足复合物(antennapedia complex,Antp-c) 胸腹复合物(bithorax complex,Bx-c)
③同源异形基因：同源基因中某一基因
突变，将导致不同体节的相互转化。如 Antp基因突变，会使头部触角转变成腿， 故称这套基因为同源异形基因。
④同源框：80年代在用触角足复合物Antp 基因的cDNA探针进行分子杂交，发现其 可与许多同源异形基因杂交，说明它们有 共同的DNA片段，称为同源框(同源盒)。
1. 细胞全能性(totipotency)：单个细胞在一
定条件下可分化发育为完整个体的分化潜
能称为全能性。
2. 全能性细胞：全能性细胞可表达基因组
中任何基因，分化为个体的任一种细胞。
如受精卵。
3．细胞的多能性(pluripotency)： 在发育过程中，细胞分化潜能出现局限， 失去了发育成完整个体的能力，只具有
将幼虫的成虫盘一部分进行移植实验 ：
移植到另一幼虫体内→按决定方向发育分化。
移植到成虫体内→保持不分化状态 数次重复后
再移植到幼虫体内→按原决定分化(图，11-2)
③细胞质定域的分配不随机性 如软体动物卵有明显的细胞质定域，最初几次 卵裂细胞会将含中胚层分化所需要的物质出芽 形成一个“极叶”，分裂完成后极叶缩回，重 复进行，使细胞质保持不均等分配。 若切除极叶，胚胎畸形发育成无中胚层的结构。 说明细胞质物质不均等分配是不随机的。
殖细胞。
三、
细胞分化标志物和常用研究方法
1．特异性蛋白质的鉴定 检测不同分化阶段的细胞中mRNA或特异蛋白 质的种类，了解分化进程。 2．组织学技术 体外培养胚胎干细胞并诱导其定向分化，分析 分化细胞内成分变化及其对分化的影响。 3．移植技术
将机体某部位的组织移植到另一部位，可观察 细胞决定及分化的时间及影响因素。
自然情况下第一次卵裂垂直于灰新月，两个子细
胞各得1/2灰新月，都能发育成正常胚胎。
人为控制第一次卵裂平行于灰新月: 含灰新月物质的子细胞
发育
正常胚胎 不能正常发育
不含灰新月物质子的细胞
②细胞决定的稳定性和遗传性 例如果蝇成虫盘的移植实验。 果蝇成虫盘是幼虫体内的未分化的细胞团，决 定成虫的腿、翅、触角和躯体的其他结构。
同源框DNA片段含180bp，编码含60个氨
基酸的肽链，序列保守，不同基因的同源
框编码的蛋白质氨基酸有80~90%相同。
如果蝇Antp与蛙XIHbox2所编码的60个氨
基酸中59个相同。(表11-1)
⑤同源框对基因的调节 通过其编码的蛋白质直接与DNA结合。同 源框蛋白富含碱性氨基酸，其第42~50位序 列相同的片段构成螺旋-转角-螺旋(HTH)结 构，是直接与DNA大沟结合的结构域。其 结合位点邻近TAAT框，可识别控制启动子 的序列，从而调控基因转录。
③结构上有3个功能域
DNA识别结构域 转录活性域 与其它蛋白结合域
（二）同源框基因
1．同源基因： ①同源：一词源自果蝇的同源位点，该 位点的一类基因控制成体果蝇的体节形 态特征的发育。 ②同源基因：控制成体体节发育的基因 即同源基因，基因的排列顺序与它们沿 体轴前后的表达顺序相一致。
按前后体轴顺序，同源基因分为两种基 因群，分别为：
部表皮的部位。
若早原肠胚期移植，被移植细胞按当地细 胞分化。 若晚原肠胚期移植，则发生错位分化，即：
腹部外胚层(预定表皮) 原肠胚前顶端 腹部表皮 移植 发育 前顶端外胚层(预定脑) 原肠胚腹部 脑 移植 发育
表明原肠胚晚期细胞分化方向已决定， 即使外界环境条件改变，分化方向不变。
3．卵细胞质对早期胚胎 细胞决定的作用
色素: 血红素(heme, haem) 蛋白质: 珠蛋白(globin)。 2. 一条珠蛋白肽链和一个血红素辅基构成一个 亚单位。四个亚单位构成的四聚体为一个Hb分 子。 (图，李9-1,p.164）
(二)珠蛋白基因结构
1. 珠蛋白(肽链)可分为两类： α链(类α链) 非α链(类β链) 由两条α链和两条非α链组成四聚体。 2.α链和非α链由两个不同的基因簇(珠蛋 白基因)编码。
一般自然情况下，细胞一旦分化不可能 再逆转到未分化状态。
(2)特殊情况下的逆转： ①人为因素：体外培养外周血细胞 PHA 淋巴细胞
逆转
淋巴母细胞样细胞→恢复
分裂能力。 ②肿瘤细胞：已关闭的胚胎期基因重新 开启，表达胚胎期蛋白，如肝癌细胞、 胰腺癌细胞表达甲胎蛋白。
百度文库
二、细胞的全能性和细胞决定
(一)细胞的全能性及全能性细胞
2．同源框基因与胚胎发育 ①同源框基因产物的功能是参与个体发 育过程，调节与机体正常发育或细胞正 常分化有关的基因表达。 ②同源基因在染色体上严格按一定顺序 排列、分布，与其在体内表达顺序或排 列严格对应。(图,11-5)
如，XIH box 1蛋白通常在蝌蚪早期发育
的外胚层和中胚层之间的隔离带表达，其
位置恰好在后脑之后。若将抗XIH box 1
蛋白抗体注射进胚胎干细胞，则正常表达
XIH box 1蛋白的前脊髓区域就不发生，
而使后脑向脊髓异常延伸(图，26-4)。
3．人类同源基因
同源基因在哺乳动物广泛存在且更复杂。
果蝇有8个同源基因，分2簇分布于同一 染色体上。 人和小鼠已确定的同源基因至少有38个， 分4簇排列于4条染色体上。
增强子：无位置和方向性，能有效增强启动子
的功能的DNA序列，提高转录速度。 沉默子：无位置和方向性，减弱基因转录的 DNA序列，参与基因的负调控。
2．反式作用因子
(1)反式作用因子：是DNA结合蛋白，可特
异性地与基因相邻的DNA序列(顺式作用元 件)结合，促进或抑制该基因转录。这类蛋 白也称基因调节蛋白。
2. 细胞分化的标志 (1)合成特异性蛋白质
如：红细胞→血红蛋白;上皮细胞→角蛋白
(2) 细胞内出现新组装的亚细胞结构
如：肌细胞→肌节和肌浆网; 上皮细胞→细胞 骨架；神经细胞→离子通道
(3) 细胞形态结构变化 如：神经细胞→突触; 红细胞→核丢失 各特征的出现是相统一的。 3．分化的不可逆性 (1)细胞分化是细胞原有的全能性分化潜 能逐渐减少和消失的过程。
2．细胞决定发生的时期：
胚胎发育：
受精卵→卵裂期→囊胚期(桑椹胚)→原
肠胚(三胚层形成)→器官形成→成体
细胞决定发生在三胚层形成期。
以两栖类做实验，正常情况下：
腹部外胚层(预定表皮) 原肠胚
发育 发育
腹部皮肤表皮
前顶端外胚层(预定脑)
脑
显微手术：异位交换移植。 移植 预定腹部表皮的细胞 另一胚胎预定脑的 移植 部位；将预定脑的细胞 另一胚胎预定腹
4．分化的可逆性 一般细胞分化不可逆，在特殊情况下有 一定可逆性。 去分化：分化细胞失去分化特性，可逆 地变为具有未分化细胞特性的过程。 转分化(再分化)：细胞从一种分化状态经 去分化变为另一种分化状态。
如： (图，蝾螈肢再生) 植物营养器官→去分化→再分化→完整植株。 蝾螈的断肢：已分化的肌细胞 去分化 丢失肌 再分化 重新进入分裂→形成完整新肢。 原纤维 肿瘤细胞→转化→不再进行终末分化→恶性增
分化成多种组织细胞的潜能，称细胞的
多能性。
如中胚层细胞只分化为本胚层的组织。
4．细胞的单能性(monopotency) ： 有的细胞只能分化为一种特定的细胞， 如单能造血干细胞，红系干细胞只能分 化为红细胞，这种分化潜能称之。 5．核的全能性： 分化成熟的体细胞核仍具有发育成一个 完整个体能力，称核的全能性。
人类同源框基因统称Hox基因(hox complex,
Hox-c)，命名为HoxA、HoxB、HoxC和HoxD。
小鼠的同源框基因命名为Hox a、Hox b、Hox c 和Hox d。分别位于不同的染色体上，每一类 都包括若干基因，这些基因在染色体上的前后 排列顺序相应于早期胚胎体轴的头尾顺序，与 果蝇HOM基因相似。(图,MMB,26-3,p.667)
第二节 细胞分化的分子基础
一、细胞分化的实质 二、细胞分化基因表达的调节 三、基因选择性表达的例子
一、细胞分化的实质
1. 细胞分化的实质是基因选择性表达，即 奢侈基因的表达使细胞合成特异蛋白质。 2. 基因组基因分为两类:
持家基因(houskeeping gene)
奢侈基因(luxury gene)