发育生物学——细胞分化的分子机制

悬浮培养的胡萝卜单细胞培养成了可育植株
（Steward,1970年）
分化细胞的细胞核具有支持胚胎发育能力
细胞核移植实验证明： A：分化中遗传物质没有发生不可逆改变； B：细胞质中含有决定核内基因活性谱的控制因子。
分化细胞的细胞核具有支持胚胎发育能力
Cloning by nuclear transfer: Nuclei from cells of the same blastula are transferred into enucleated egg. The frogs that develop are clones as they all have the same genetic constitution.
发育过程中细胞分化经历一个分化能力逐 渐受限制的过程
细胞的全能性 (totipotent)：
生物体中的一个体细胞或一个性细胞在一定条件 下，有能力重新形成完整的个体，或者分化形成 该个体任何种类的细胞。此特性称为“细胞全能 性”。
细胞的全能性 (totipotent)： 受精卵 、8细胞期前的胚胎细胞是全能细胞。
细胞分化
细胞分化是基因差异性表达的结果：
-- 细胞外环境的影响：邻近细胞间的相互关系； 细胞外信号 (cell-surface proteins, hormones, polypeptide cytokines and molecules of the extracellular matrix) 在分化过程中可诱发细胞内信 号通路，影响基因表达。
应用DNA microarrays 研究基因表达
High output screening genes expressed differently in different tissues or at different stages in development
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
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细胞分化是基因按一定时空 顺序表达的结果，这种在个 体发育过程中不同的基因按 照一定的时空顺序被激活的 现象称为“基因的差异表 达”。
成纤维细胞被加入肌源蛋白后分化 为肌细胞
细 胞 分 化 的 机 理
细胞分化
细胞分化是基因差异性表达的结果：
-- 细胞内环境的差异：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，引起核基因的差异表达。
细胞分化的分子机制
细胞分化
指多细胞生物成长发育中，在一些内在机制作用 下，细胞在结构、形态、生理功能及生化特征等方面 逐渐产生稳定性差异，成为多种不同的细胞类型，以 形成个体不同的组织、器官和系统。
细胞分化
Cell differentiation involves the gradual emergence of cell types that have a clear-cut identity in the adult, such as nerve cells, fat cells Differentiated cells serve specialized functions and have achieved a usually stable state.
The first mammal to be cloned, a lamb, the Dolly
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。
• 如tRNA，rRNA基因，催化能量代谢的各种酶系 ，三羧酸循环中各种酶系等。
• 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。
基因活性状态的可逆性
从单个合子核发育为不同类型细胞 ，基因活性谱发生了改变，这种改变 是否涉及遗传物质的改变？
Dolly
治 疗 性 克 隆
这些实验说明： --即使是终末分化细胞，其细胞核同样
也包含全部的遗传信息，即具有发育为完整 个体的“全能性”。
细胞融合能改变分化细胞基因表达活性的模式
Cell fusion shows the reversibility of gene inactivation during differentiation: the inactivation of musclespecific genes in human liver cells is not irreversible.
• 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。 如编码红细胞血红蛋白，肌细胞的肌球蛋白和肌动蛋白等的基因 属此类。
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奢侈基因与管家基因
• 管家基因 (house keeping gene)，这类基因的表达 产物为细胞生命活动持续需要和必不少，但与细胞分 化的关系不大，在细胞分化中只起协助作用。
细胞分化
细胞由未特化状态分化成不同细胞类型最初发 生在胚胎发育的过程中，而在出生后直到成体的 整个阶段都会持续进行。特化细胞的性质是基因 特定表达模式的结果，不同基因表达模式决定特 定蛋白的合成。“特定基因表达模式是如何形成 的”是细胞分化的中心问题。
基因表达的阶段特异性及组织特异性 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。
发育过程中细胞分化经历一个分化能力逐 渐受限制的过程
多潜能细胞 (pluripotent)：发育潜能有一定局限性，仅 能分化成为特定范围内的细胞。如生血干细胞仅能分化 成为淋巴细胞、单核细胞、粒细胞等
分化细胞 (differentiated cell)： 仅具有分化形成某一 种类型细胞的能力。
分化过程：全能 → 多能 → 分化细胞