细胞分化-细胞生物学

第十二章 细胞分化 cell differentiation
一、概念 二、细胞分化的物质基础和特点 三、细胞分化的可逆性和全能性 四、细胞分化的实质 五、细胞分化的机理 六、影响细胞分化的因素 七、癌细胞
一、概念
细胞分化（cell differentiation）是一种 类型的细胞在形态结构生理功能和生化特性 等方面稳定地转变成另一类型细胞的过程。 黑色素细胞体外培养三十多代 多细胞生物中细胞分化发生于整个生活史中， 但胚胎期是最重要的分化期 细胞分化发生于一切真核细胞中，并可追溯 到原核细胞
染色体重组实验表明，非组蛋白与基因选择性 表达的调节密切相关，特异的非组Pr可能决定 相应的特定基因的转录，即调节转录过程中的 调控因素是非组Pr。 但也有人证明mRNA是基因表达的激活因素（牛 满江1970，孵化16―18小时的鸡胚切成两半， 放在生理盐水中或心脏的mRNA中浸泡后培养， 发现在生理盐水中浸泡过的鸡胚发育正常，而 心脏mRNA浸过的心脏发育特大，而其它均发育 不良，故牛满江认为心脏的mRNA激活了心肌的 基因表达）。
2．管家基因（housekeeping gene） 指维持 细胞最低限度的生命活动所不可缺少的基因， 是细胞生存所必须的。如编码与细胞分裂及能 量代谢有关的蛋白质的基因，其特点是： （1）所有细胞共有； （2）细胞周期的任何时期都表达； （3）对细胞分化只起协助作用。
管家基因与奢侈基因的拷贝数？ 重复基因（repeated or duplicated gene） 非重复基因（unrepeated or unique gene） 重复106以上称为高度重复，如随体DNA， 102－5中度重复 rRNA、tRNA、5sRNA的基因。 非重复基因，重复次数102 以下，如丝心蛋白 的基因。 管家基因=中度重复；奢侈基因=非重复基因， 但有例外如羽毛角蛋白的基因100―240。
全能性 （totipotent） ） 多能性 （pluripotency) 单能性 （monopotency) 终末分化 （terminal differentiation)
细胞分化潜能 的改变
1．全能性细胞 2．全能性细胞核
仅在低等动物中存在或高等 现在的技术手段还不能使
动物在胚胎发育的早期。 已分化的高等动物细胞直接再生成完整个体， 但许多研究证明已分化的细胞核仍保持着全套 基因组并在一定条件下可具有全能性。
（五）翻译后调控 在真核生物中许多激素的 合成都是以一个共同的前体合成的，称为聚蛋 白，然后切割成不同的蛋白质。但是在不同的 组织中，切割的方式是不同的，因此相同的基 因在不同的组织中合成不同的激素蛋白。例如 多肽蛋白阿黑皮素原(pro-opiomelanocor基础和特点 基础是新的蛋白质的产生 特点是（1）决定性（2）时空性（3）不可逆性 三、细胞分化的可逆性和全能性 四、细胞分化的实质 奢侈基因的表达 五、细胞分化的机理 5层次或者说3水平
组蛋白能使基因的转录过程关闭，而非组蛋白 则能有选择地使基因的转录过程打开。 3. 组 蛋 白 转 移 模 型 （ histone displacement model） Stein 1975年提出组蛋白转移模型：组蛋白与 DNA链结合，抑制转录，非组蛋白在一定的部位 与DNA结合，它发生磷酸化带上负电荷，即与带 正电荷的组蛋白牢固结合而使DNA裸露（结合物 从DNA上离开）使此部位DNA发生转录。
3．童第周和牛满江（1975） 鲫金鱼 鲤金鱼
4．翻译效率 兔红细胞前体中提取mRNA，它 们含有大量的α、β链合成的mRNA，注入蛙卵 母细胞，β链合成约为α链5倍（5:1）似乎在 卵蛙母细胞中βmRNA转译效率高，可是把血红 素一块注射蛙卵母细胞中，α、β产量相同. 说明血红素可能通过影响转译的速度而对基因 表达进行某种调控。 5．卵母细胞的翻译调控 在许多脊椎动物和 无脊椎动物的未受精卵细胞质中贮存许多mRNA， 但它们大部分不用来翻译，只有受精后才能翻 译。
1964年Guha等培养毛叶曼陀罗的花药产了单倍体花 粉植物，动物细胞也能象植物细胞那样脱分化而再 生新的肢体，如蝾螈在切除肢体后可再生。 (一)植物细胞全能性 已被广泛用于生产实践中，现已培养出一大批包括 水稻、小麦、烟草、苗木、花卉等。
（二）动物细胞的全能性 受精卵能够分化出各种细胞、组织，形成一个 完整的个体。随着分化发育的进程，细胞逐渐 丧失其分化潜能。
课后阅读资料： 课后阅读资料： 1.克隆羊多莉前世今生 1.克隆羊多莉前世今生 2.世界上首只克隆羊多利被执行 安乐死” 世界上首只克隆羊多利被执行“ 2.世界上首只克隆羊多利被执行“安乐死” 3.Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells. Wilmut I, Schnieke AE, McWhir J, Kind AJ, Campbell KH. Nature. 1997 Feb 27;385 (6619) :810-3. 4.《真核基因表达调控》 修订版) 4.《真核基因表达调控》 (修订版) 沈珝琲 方福 1999年全 德 主编 北京高等教育出版社 1997 1999年全 国优秀科技图书暨科技进步一等奖 思考题：克隆羊的诞生涉及细胞生物学的哪些技术？ 思考题：克隆羊的诞生涉及细胞生物学的哪些技术？ 它为何早衰？ 它为何早衰？
二、细胞分化的物质基础和特点
(一)细胞分化的物质基础 新的性状=新的蛋白质 （二）细胞分化的特点 1、决定性 在能识别一个细胞的分化以前，就 有了一个预先保证细胞怎样变化的时期，这个 阶段称为细胞决定（cell determination）。 如动物受精卵的卵裂（动物极，植物极）
胞 仍 幼 发 育 成 相 应 的 移 成 体 的 结 构 虫 盘 细 。 成 植 被 时 态 变 虫
Gurdon（62，74， 75）用非洲爪蟾为材 料进行核移植，证明 了已分化细胞核仍保 持着全套的基因组。 童第周1978曾报导将 黑斑蛙的红细胞核移 入去核的黑斑蛙的卵， 核即分裂，卵发育成 正常蝌蚪，血细胞核 变成各种有功能的细 胞核。
1997 年 克 隆 羊 的 诞 生 （Wilmut）说明高度分 化的细胞核仍具有全能 性 3．不可逆的分化细胞 哺乳动物的红细胞成熟 后失核，马副蛔虫体细 胞染色体消减（染色体 失去达80％）等属此类。
当 将 成 虫 盘 取 出 再 移 到 幼 虫 体 内 ，
（1）细胞决定的稳定性和遗传性 成虫盘细胞 9年，1800代后
a、正常果蝇的触角为具芒触角；b、突变果蝇的触角 发育为足 引自Lehninger Principles of Biochemistry 3rd ed.
（2）转决定（transdetermination） 即决定的细胞改变了原来的预定发育方向，使 细胞分化的结果偏离决定方向，也就是从一种 遗传状态转变成另一种遗传状态称为转决定 转决定的发生是遗传性突变的结果，它是一群 细胞而不是单一细胞发生变化。 转决定的细胞：其它类型（同源异形）或原初 状态的结构。
2．染色质重组实验 Gilmour和paul取兔子胸腺和骨髓细胞的 染色质分别分离出DNA、非组Pr和组Pr， 用重组的染色质作模板，加入RNA聚合酶 和各种前体核苷酸就可合成RNA
结果如下： （1）未分离的胸腺染色质能合成胸腺mRNA （2）未分离的骨髓染色质能合成骨髓mRNA （3）重组的胸腺染色质能合成胸腺mRNA （4）重组的骨髓染色质能合成骨髓mRNA （5）[骨髓DNA＋组Pr＋胸腺DNA＋组Pr]＋胸腺 非组蛋白重组后→合成胸腺mRNA （6）[骨髓DNA＋组Pr＋胸腺DNA＋组Pr]＋骨髓 非组蛋白重组后→合成骨髓mRNA
（一）基因的差次表达（differential expression， 顺序表达sequential） 胚胎在发育过程中之所以相继出现新的细胞类型 是由于有关的特定基因按照一定顺序相继活化的结果， 这种现象称基因的差次表达。
（二）奢侈基因与管家基因 1．奢侈基因（luxury gene） 指与各种分化的特殊 性状有直接关系的基因，是编码组织特异性蛋白的基 因，对细胞生存无多大影响。如血红蛋白、丝心蛋白 的基因。其特点是： （1）在特定的分化细胞中表达； （2）只在特定的时间内表达； （3）对细胞的生存无直接影响； （4）对细胞的分化起决定性作用。
2、时空性
“时”=不同的发育阶段 “空”=环境
3、不可逆性 一个细胞一旦分化成稳定类型以后，就不能逆 转到未分化状态。如哺乳动物高度分化的成熟 红细胞不会再返回到有核的前体细胞。 有机体常保留一部分未分化的多能性干细胞， 可用来弥补失去的可逆性，一旦需要，干细胞 即进行分裂，新细胞按发育途径产生专一的分 化细胞。
受精引起新的mRNA合成?
放线菌素D(actinomycin D)=RNA合成抑制剂
关于其活化机理推测是受精前被蛋白质遮盖或 局限在某特定部位不转译，受精后摆脱束缚才 转译。这些贮存在卵母细胞中没有翻译活性的 mRNA常被称作“隐蔽” mRNA(masked mRNA)， 受精后mRNA从无活性到有活性状态的转变发生 相当快。 这些预存mRNA的激活与两个不同的事件有关： 一是结合的抑制蛋白被释放，二是通过卵细胞 质中一种酶的作用使mRNA多聚(A)尾巴长度增加。
五、细胞分化的机理
（一）细胞分化与基因本身的变化 分化的细胞或核具有全能性 为何致癌病毒基因整合到宿主细胞引起细胞 癌变，说明基因本身的变化与细胞分化有一定 关系，现认为基因活性的变化与DNA的甲基化 和DNA重排有关。
（二）转录水平的调节 转 录 控 制 (transcriptional control) 是 真 核 生物控制基因表达的重要调控方式，通过转录 调控，使基因在不同组织中进行差异表达。 如何判断两种组织中差异蛋白的来源? 转录调控的实验证据：组织特异性mRNA。 1．唾腺染色体 疏松区和Puff位置的变化说明 细胞分化过程中染色体的基因按照一定顺序进 行差次表达，什么因素导致基因的开关转录出 不同的mRNA？