3 细胞分化与调控

In each axis-determining system, localized products in the egg cause other maternal RNAs or proteins to be broadly localized at syncytial blastoderm, and zygotic RNAs are transcribed in bands at cellular 26 blastoderm.
达的基因,这时不表达,而原来不表达的基因, 这 时却被激活。
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Dolly 羊
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2）细胞核对细胞质的决定性作用
伞 藻 实 验
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蛙 的 核 移 植 实 验
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4.胞外信号分子对细胞分化的影响
•
胞外信号分子:生长激素、细胞因子、化学 小分子
• 激素对细胞分化的影响是远距离细胞间的相
互作用, 出现在发育的晚期,激素引起的反
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1. 细胞分化的本质
细胞分化的关键在于特异性蛋白质的合成，而特
异性蛋白质合成的实质在于基因选择性表达。
真核细胞基因表达调控的特点
真核生物基因的表达是多级调控系统
表现为细胞分化
细胞社会的协同与稳定
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基 因 的 选 择 性 表 达
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真核生物基因的组织结构图
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真核 生物 基因 表达 调控 所涉 及的 环节
达的结果，即基因表达调控的结果。
细胞分化时的主要特征是细胞出现不同
的形态结构和合成组织特异性蛋白质，演变成
特定表型的细胞类型。
3
1.分化细胞的特点
1）个体中所有不同种类细胞的遗传背景完全一样。 2）分化细胞彼此之间在形态、结构、功能方面的不
同是由于其拥有不同的蛋白质所致。
3）细胞分化中最显著的特点是分化状态的稳定性。 4）在一定的条件下, 细胞分化是可逆的。
1）卵细胞质决定子在 细胞决定中的作用
从受精卵第一次卵裂 开始,细胞核就受到内 环境(即不同的卵细胞 质)的影响。这些特殊 细胞质组分称为细胞质 决定子。
卵细胞质分布的不对称性
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细胞质决定子支配着细胞分化的途径。
卵母细胞中贮存的mRNA和蛋白质的分布是不
均匀的,各种mRNA在细胞中都有定位分布,并 随卵裂进入不同的子细胞中。 多数mRNA在卵母细胞中处于非活性状态,受精 作用激活了这些卵母细胞贮存的mRNA,使受精 卵的发育在翻译水平上受到调节。
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果蝇成虫盘细胞决定状态的移植实验
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细胞决定与细胞记忆有关，细胞记忆可通过两种 方式实现。
正反馈途径：细胞接受信号刺激后，活化转录调节因子， 可诱导自身基因和其他组织特异性基因的表达。
染色体结构变化（DNA与蛋白质相互作用）的信息传到
子代细胞。
例如：终端分化细胞肝细胞分裂后只能产生与亲代相同的
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母源效应基因bicoid
后 前
mRNA
后
前
蛋白
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• 前部细胞的命运由它们所处 环境中hunchback蛋白质的 浓度决定。 • Bicoid基因的产物是一种序 列特异性的DNA结合蛋白， 可以影响其所结合的启动子之 后的基因的转录。 • Hunchback的转录由bicoid 基因通过一种剂量依赖的方式 开启，即hunchback基因由 达到一定阈值的bicoid基因激 活。这样梯度可以产生一种空 间上的开关以影响基因表达。 通过这种方式，在胚胎发育过 程中，成形素（bicoid蛋白） 在数量上的差异转化为细胞结 构在性质上的差异。
果蝇幼虫从前到后分布着若干未分化的成虫盘, 前部胚盘和后部胚盘分别发育为成虫的前部(头、胸 和前腹部)和后腹部结构。
果 蝇 的 体 细 胞 决 定
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Cell fate is determined by compartments that form by the blastoderm stage
ftz mutants have half the number of segments present in wild-type.
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2.细胞决定(cell determination)
细胞决定: 细胞在发生可识别的形态变化之前, 就已受到约束而向着特定方向分化,这时细胞内 部已发生变化,确定了未来的发育命运。 胚胎细胞分化的潜能与决定 细胞决定可看作分化潜能逐渐限制（全能→ 多能→单能）的过程,决定先于分化。
5
细胞决定
6
3. 细胞决定与细胞分化
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极叶:软体动物卵
裂初期从植物极
形成的一个暂时
性的大的细胞质 突起。
软体动物 卵极叶的形成
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2）性细胞决定子
果蝇卵在受精后分裂细
胞的分化命运决定于核迁入
不同的细胞质区域。
极质：受精卵后端的一
部分细胞质区域。
极粒：极wenku.baidu.com中含有膜包
裹的颗粒状物质。 生殖细胞的分化决定于 细胞质中的极质。
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3）体细胞决定子
• 纤维原细胞生长因子 (FGF) 信号通路,
• 表皮生长因子 (EGF) 信号通路,
• 视黄酸信号通路,
• Wingless (Wnt/Wg)信号通路, • Notch信号通路, • G蛋白偶联受体 (GPCR)信号通路.
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细胞-细胞相互作用
Wnt 信号通路
Wnt (Wingless/Int-1)蛋 白结合到细胞表面的 Frizzled 家族的受体蛋白 上。通过很多的胞质传 递组分，信号传递到β 连环蛋白， β-连环蛋白 进入核内，与TCF形成 复合体，激活Wnt靶基因 的转录。
第三部分 细胞分化与调控
Part Ⅲ Cell Differentiation and Regulation
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内容
一、 细胞分化 二、影响细胞分化的因素
三、 细胞分化的分子基础
2
一、 细胞分化
在个体发育中, 细胞的后代在形态、结构
和功能上发生差异的过程称为细胞分化
(differentiation)，其本质是基因选择性表
Transcripts of the ftz gene are localized in stripes corresponding to even numbered parasegments. The expressed regions correspond to the regions that are missing in the ftz mutant of the previous figure.
6.环境对性别决定的影响
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三、 细胞分化的分子基础
持 家 基 因 (House-keeping gene)∶ 是 维 持 细
胞最低限度功能所不可少的基因,如编码组蛋白基
因、编码核糖体蛋白基因、线粒体蛋白基因、糖
酵解酶的基因等。
组织特异性(Tissue-specific gene)基因或 奢侈基因(luxury gene) ∶与各类细胞的特殊性 有直接的关系,是在各种组织中进行不同的选择性 表达的基因。
细胞类型。
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二、影响细胞分化的因素
1.细胞的相互作用对细胞分化的影响
胚 胎 诱 导 (embryonic induction) ： 动 物 在 一定的胚胎发育时期,一部分细胞影响相邻 细胞使其向一定方向分化的作用。 能对其他细胞的分化起诱导作用的细胞称为 诱导者或组织者。
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胚胎初级诱导作用实验
修复实验
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3.细胞核和细胞质的相互作用对分化的影响
1）细胞质对细胞核的作用
当鸡的红细胞与培养的人Hela细胞(去分化的
癌细胞)融合后,核的体积增大20倍,染色质松散, 出现RNA和DNA合成,鸡红细胞核的重新激活是由于 Hela细胞的细胞质调节的结果； 将培养的爪蟾肾细胞核注入蝾螈的卵母细胞
内,分析蛋白质合成情况发现,原来在肾细胞中表
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2. 真核基因表达的基本步骤（程序）
1）转录水平的调控: DNA→RNA的有效转录, 包括 激活和抑止,即与顺式元件有关 , 又与反式因子有关. 2）转录后水平调控(加工水平): hnRNA→ mRNA的 选择性剪接,最终产生蛋白质的多样性. 3）翻译水平调控 : mRNA→ Protein 的有效转译和
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次级诱导作用
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3个胚层中，中胚层对相邻胚层有很强的分化诱
导作用。
中胚层诱导内胚层细胞生成胰腺腺泡细胞前体，进一步形成 胰腺。
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2.位置效应对细胞分化的影响
位置效应：改变细胞所处的位置可导致细 胞分化方向的变化。 位置信息是产生位置效应的主要原因。 典型：含产生sonic hedgehog蛋白的胚胎 细胞团的移植实验。
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位置 信息 在 胚胎 细胞 分化 中的 作用
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位置信息本质可能是源于不同位置胚胎细胞中的 信号分子，它可影响邻近细胞的分化方向。 Morphogen(形态发生素) is a factor that induces development of particular cell types in a manner that depends on its concentration. 形态发生素假说：形态发生素在胚胎的特定部位 合成和分泌，然后扩散到周围组织，形成一种 浓度递减的梯度。细胞通过适当的受体“感知” 自身部位的形态发生素的浓度来估测自己离形 态发生素产生源有多远。
Wild-type Drosophila embryos have distinct dorsal and ventral structures. Mutations in genes of the dorsal group prevent the appearance of ventral structures, and the ventral side of the embryo is dorsalized. Ventral structures can be restored by injecting cytoplasm containing the Toll gene product.
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5.染色质变化与基因重排对细胞分化的影响
马蛔虫卵裂过程中，染色体出现消减，除一个细胞保留正 常染色体（将分化成生殖细胞），将分化成体细胞的全部 出现染色体丢失。 纤毛虫细胞核“分化”成两种类型：生殖核（含完整基因 组），营养核（丢失10~90%的DNA）。 基因重排在抗体产生中的作用。
应是按预先决定的分化程序进行的, 作用主
要是引起靶细胞进行分化。
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细胞因子引起细胞分化
EB — embryoid body 胚状体, MESODERM 中胚层, ECTODERM 外胚层 , ENDODERM 内胚层
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细胞分化包含的信号通路
• Hedgehog (HH) 信号通路, • 骨成形素蛋白 (BMP) 信号通路, • 生长转化因子- (TGF-) 信号通路,
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形态发生素假说实验依据
果蝇的早期发育过程中，母源效应基因(maternal gene)在
细胞质中呈现出浓度梯度的分布特征。
母源效应基因bicoid提供了果蝇胚胎前后轴形态发生的初始
浓度，其编码一个转录因子，在未受精时其mRNA分布在 卵的前端，受精后被翻译成由前到后逐渐减弱的浓度梯度蛋 白。这种浓度梯度信息将开关合子细胞的hunchback基因 表达，而影响果蝇胚胎细胞的分化和发育。
Bicoid protein forms a gradient during D. melanogaster development that extends for ~200 mm along the egg of 500 24 mm.
Maternal gene products establish gradients in early embryogenesis
Each of the four maternal systems that functions in the egg is initiated outside the egg. The pathway is carried into the egg, where each pathway has a localized product that is the morphogen. This may be a receptor or a regulator of gene expression. The 25 final component is a transcription factor, which acts on zygotic targets that are responsible for the next stage of development.