细胞分化

果蝇多线染色体
特异基因的阶段性表达
用32P磷酸盐分别掺入前体细胞和原成红 细胞，若珠蛋白基因有表达，则DNA可转录有 32P标记的RNA。当用克隆的胚胎型样珠蛋白基 因DNA探针与之杂交，发现在原成红细胞中有 DNA-RNA杂交反应，而前体细胞中不发生杂交反 应。
说明前体细胞的胚胎型珠蛋白基因处于 休止状态，直至发育到原成红细胞时才被活化。 表明样珠蛋白基因具有严格的红系组织特异性
母系基因产物控制卵的不对称分裂
动物卵细胞中贮存有大量mRNA，呈非均匀分布；
用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵，胚胎发育仍能进行至囊胚期 用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵，受精卵停止发育。
卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运。
昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞的。迁入卵的后端极质 部的细胞发育为原始生殖细胞，用紫外线照射这一区域，破 坏极质，卵将发育为无生殖细胞的不育个体。
干细胞命运各不相同，但分化机制相似： 调控基因指导特异性基因的转录及特定蛋白 质的合成，从而细胞逐步发展为具有专门功 能的特定细胞类型。
同样，干细胞也对邻近细胞的生长信号 发生反应，导致特定基因活化及相应蛋白质 合成，参与细胞分化，运动，或与其它细胞 作用以形成组织。
• 1970年Martin Evans首次从小鼠胚囊中分离出小 鼠胚胎干细胞。原被误认为功能单一的干细胞后 被证实具有自我复制能力，可分化为人体206种 组织器官的原始细胞；
细胞培养成可育的胡萝卜植株。 • 1997年英国学者克隆出 “多莉”羊
未受精卵 去核卵细胞
爪蟾蝌蚪的 肠上皮细胞
UV 肠上皮细胞核
核移植
无结果
J.Gurdon 1964
畸胎 1-2%发育至蝌蚪或蛙
悬浮培养的胡萝卜单细胞培养成了可育植株
（Steward,1970年）
Dolly的标本和伊恩博士
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。
细胞的不对称分裂使姐妹细胞产生了差异
在细胞分裂时一些重要的分子被不均等地分配到两个子细胞中
进一步更复杂的模式由细胞间相互作用产生
（二）细胞间的相互作用
1、胚胎诱导(embryonic induction) ：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。 诱导者(inductor) ：对其它细胞起诱导作用的细胞：
• myogenin蛋白对成肌细胞融合并分化为成 熟的骨骼肌细胞必不可少
• 细胞融合前只有myoD及myf5基因表达， myogenin基因只有在细胞融合发生后表达， 且受myoD及myf 5表达的诱导。myoD及myf 5基因控制体节细胞分化为成肌细胞，而从成 肌细胞发育为成熟的骨骼肌细胞则依赖于 myogenin基因．
成肌细胞融合激活特异性蛋白基因
• 成肌细胞中，肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球 蛋白、肌钙蛋白（与肌肉收缩有关）、磷酸 肌酸激酶及乙酰胆碱受体（传递神经刺激） 等特异性蛋白的基因活性处于休止状态。成 肌细胞融合后，开始激活表达并使之最终分 化为形态及功能成熟的骨骼肌细胞。
这种潜力，来自一组称为干细胞的分 化能力。在个体发育整个过程中，由于干 细胞的存在使细胞分化不断进行。
干细胞有两方面区别于其它细胞的特征： 1， 可分化为与自身完全相同的细胞， 2，可生产出特异性分化的细胞。
根据个体发育过程中出现的先后次序不同， 干细胞可分为两类：胚胎干细胞及成体干细 胞。
脊索可诱导其顶部外胚层发育成神经板，神经沟和神经管； 视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体，而晶体又可诱导外胚
层形成角膜。
诱导的相互作用可以在原本等同的细胞中建立起有序的差异
2、分化抑制：分化成熟的细胞可以产生抑素，抑
制相邻细胞发生同样的分化。
如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正 常的心脏。
分子生物学与临床
细胞分化的分子机制
显微手术和基因组学揭开了发育控制之迷… … 基因克隆和测序展现出其分子机理… …
本章内容：
• 细胞分化潜能与干细胞 • 细胞分化与基因组变化 • 基因表达与组织形成 • 特异性蛋白基因表达的发育阶段性 • 基因表达的调控机制 • 影响细胞分化的因素
细胞分化的潜能
• 从分子层次看，细胞分化主要是奢侈 基因中某种（或某些）特定基因选择 性表达的结果。某些基因的选择性表 达合成了执行特定功能的蛋白质，从 而产生特定的分化细胞类型。
分化细胞的基因表达特征
一 基因组 成熟分化的细胞保留着全部核基因
组。
相关实验：
• 1964年Gurdon等进行的非洲爪蟾实验 • 1970年Steward等用悬浮培养的胡萝卜单个
基因表达的阶段特异性（时）及组织特异 性（空）
指特定基因的表达按照严格的时间 顺序发生，同时，同一基因产物在不同的 组织器官表达数量不同，不同的产物蛋白 又分布于不同的细胞或组织器官。
在胚胎发育过程中，细胞基因组严格按时空 顺序相继活化这一现象称为基因的差异表达 （ differential expression ） 或 顺 序 表 达 （sequential expression）。
二、哺乳动物骨骼肌发育中的基因调节
1．骨骼肌细胞发育包括3个阶段 1）由胚胎的体节细胞出现细胞决定（分化方向），
并分化为成肌细胞； 2）成肌细胞向胚胎肢芽迁移并保持增殖能力； 3）成肌细胞停止分裂，彼此融合成多核体细胞（或
肌管），伴随细胞融合的出现，对骨骼肌发育 及其功能有关的各种肌细胞特异基因的表达使其 分化为成熟的骨骼肌细胞。
敲除 存活 成肌细胞 肌细胞 蛋白功能
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myoD
能+
+
不详
myf 5
能+
+
不详
myoD、myf 5 否 -
-
成肌细胞形成必须
myogenin 否 +
- 成肌细胞向肌细胞分化所必须
• 从体节细胞分化为成肌细胞时需myoD和 myf 5两种蛋白，
• 1998年在人胚囊内层细胞分离出人的胚胎干细胞， 目前通过核移植技术获得人胚胎干细胞。
• 干细胞具有的能够稳定生存增殖并 保持多向分化潜能的特性使其在遗 传性疾病和组织器官移植领域有巨 大的应用前景。
二、细胞分化的机理
（一）细胞分裂的不对称性
卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。 北极或动物极：极体释放的部位； 南极或植物极：相对北极而言，母体物质主要 储存在于植物极。
5、激素的作用
如昆虫的保幼激பைடு நூலகம்和脱皮激素。
（三）细胞核与细胞分化
1、染色体结构的变化
1）基因删除：原生动物、昆虫、甲壳动物。 2）基因扩增：果蝇多线染色体。 3）基因重排：免疫球蛋白基因（106~108种抗体）。 4）DNA的甲基化与异染色质化：胞嘧啶的甲基化使基因
失活。
组织形成中的基因表达
一、动物及人体的基本组织类型 包括四类 1．上皮组织:来源于外胚层，如皮肤表层 2．结缔组织:由中胚层产生的，分布在表皮之内各 器官组织之间，如韧带、纤维、血浆 3．肌肉组织:来自中胚层，又有平滑肌、骨胳肌和 心肌，主要组分是肌原纤维 4．神经组织:来自外胚层，由神经元和神经胶质细 胞组成
Gene and Development
母体基因
间隙基因
成对基因
体节极 性基因
同源异 形基因
2． 奢侈基因与管家基因
生物体细胞中含有决定生长分裂和 分化的全部基因信息，按其与细胞分化 的关系，可将这些基因分为两大类：奢 侈基因和管家基因
奢侈基因(luxury gene)，编码细胞特 异性蛋白，与各种分化细胞的特定性状 直接相关，这类基因对细胞自身生存无 直接影响。
骨骼肌细胞发育程序包括3个阶段
• 已鉴定出4种控制骨骼肌细胞发育的基因： myoD、myf 5、myogenin及mrf4，分 别表达相应的myoD、myf 5、myogenin 及mrf 4蛋白，统称为myoD家族蛋白。
• 这些蛋白均具有碱性螺旋-环螺旋（bHLH） 结构，属DNA结合蛋白并行使转录因子的功 能。
2、基因与细胞分化
无论是母体mRNA的作用还是细胞间的相互作用，其 结果是启动特定基因的表达。
根据对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明：
卵受精后，首先表达的是母体基因；母体基因的产物是转录 因子，沿胚的前后轴形成一个浓度梯度，决定了胚的前后位 置和头尾区域；控制其它基因的表达：
母体基因→ 间隙基因→ 成对基因→体节极性基因→同源异 形基因（homeotic gene，Hox）
myoD诱导肌细胞特异性基因转录
• myoD家族蛋白在形成同源及异源二聚 体后可与基因调控区中的CANNTG序 列（又称Ebox）相结合，通过DNAprotein相互作用， myoD构象改变从 而诱导肌细胞特异性的基因转录。
表 1 myoD 家族基因敲除对小鼠 骨骼肌细胞分化发育的影响
基因
表型
myoD家族
从一个受精卵开始，在个体发育的过程中 逐步分化产生各种细胞类型和组织，这种分化就 是不同特异性基因相继表达的结果。
二、特异蛋白的选择性基因表达主要在转录水平 进行
DNA
转录
RNA
翻译
多肽
如果蝇和其他双翅目昆虫唾腺染色 体所看到的膨松区的形成。膨松区是基 因的活化区，即正转录区域。膨松区的 位置和数目在相同发育阶段的同一类型 细胞一致，但在不同类型的细胞中有区 别，在不同的发育阶段也有明显变化。