细胞分化分子机制
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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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
细胞分化
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。
3、细胞数量效应
小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功 能的胰腺组织，但如果把胰原基切成8小块分别培养，则都不
能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰
腺组织。
4、细胞外基质的影响
储存在于植物极。
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
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。
• 胚胎干细胞，又称全能干细胞，存在 于未发育成熟的胚胎，高水平表达端 粒酶，可分化为除构成脐胎盘，脐带 等之外的任何一种特定类型细胞。即 能长成动物的任何组织和器官。
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）
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
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；
• 1998年在人胚囊内层细胞分离出人的胚胎干细胞，
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。
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。
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。
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。
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
干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞； 在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞； 在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。
5、激素的作用
如昆虫的保幼激素和脱皮激素。
（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。
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。 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：
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
• 成体干细胞：特定组织中的非特异
性细胞，能无限制地分裂和自我更
新。所产生的子细胞有两种结果，
一是保持亲代特性，仍作为干细胞；
二是不可逆地向终末方向发展，成 为一至几种类型的特定细胞。
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
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。
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：
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。
干细胞
受精卵发育按严格的模式和时间次序
发展，发育初级的细胞并非包含成形的形
体，而是具备发育为完整个体的潜力。
这种潜力，来自一组称为干细胞的分
细胞分化的分子机制
显微手术和基因组学揭开了发育控ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
细胞分化
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。
3、细胞数量效应
小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功 能的胰腺组织，但如果把胰原基切成8小块分别培养，则都不
能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰
腺组织。
4、细胞外基质的影响
储存在于植物极。
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
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。
• 胚胎干细胞，又称全能干细胞，存在 于未发育成熟的胚胎，高水平表达端 粒酶，可分化为除构成脐胎盘，脐带 等之外的任何一种特定类型细胞。即 能长成动物的任何组织和器官。
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）
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
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；
• 1998年在人胚囊内层细胞分离出人的胚胎干细胞，
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。
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。
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。
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。
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
干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞； 在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞； 在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。
5、激素的作用
如昆虫的保幼激素和脱皮激素。
（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。
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。 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：
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
• 成体干细胞：特定组织中的非特异
性细胞，能无限制地分裂和自我更
新。所产生的子细胞有两种结果，
一是保持亲代特性，仍作为干细胞；
二是不可逆地向终末方向发展，成 为一至几种类型的特定细胞。
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
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。
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：
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。
干细胞
受精卵发育按严格的模式和时间次序
发展，发育初级的细胞并非包含成形的形
体，而是具备发育为完整个体的潜力。
这种潜力，来自一组称为干细胞的分