細(xì)胞分化-細(xì)胞生物學(xué).ppt

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第十二章細(xì)胞分化celldifferentiation,一、概念二、細(xì)胞分化的物質(zhì)基礎(chǔ)和特點三、細(xì)胞分化的可逆性和全能性四、細(xì)胞分化的實質(zhì)五、細(xì)胞分化的機理六、影響細(xì)胞分化的因素七、癌細(xì)胞,,,,,,一、概念,細(xì)胞分化（celldifferentiation）是一種類型的細(xì)胞在形態(tài)結(jié)構(gòu)生理功能和生化特性等方面穩(wěn)定地轉(zhuǎn)變成另一類型細(xì)胞的過程。黑色素細(xì)胞體外培養(yǎng)三十多代多細(xì)胞生物中細(xì)胞分化發(fā)生于整個生活史中，但胚胎期是最重要的分化期細(xì)胞分化發(fā)生于一切真核細(xì)胞中，并可追溯到原核細(xì)胞,,二、細(xì)胞分化的物質(zhì)基礎(chǔ)和特點,(一)細(xì)胞分化的物質(zhì)基礎(chǔ)新的性狀=新的蛋白質(zhì)（二）細(xì)胞分化的特點1、決定性在能識別一個細(xì)胞的分化以前，就有了一個預(yù)先保證細(xì)胞怎樣變化的時期，這個階段稱為細(xì)胞決定（celldetermination）。如動物受精卵的卵裂（動物極，植物極）,（1）細(xì)胞決定的穩(wěn)定性和遺傳性成蟲盤細(xì)胞9年，1800代后,將成蟲盤取出再移到幼蟲體內(nèi)，當(dāng)幼蟲變態(tài)時被移植的成蟲盤細(xì)胞仍發(fā)育成相應(yīng)的成體結(jié)構(gòu)。,a、正常果蠅的觸角為具芒觸角；b、突變果蠅的觸角發(fā)育為足引自LehningerPrinciplesofBiochemistry3rded.,,（2）轉(zhuǎn)決定（transdetermination）即決定的細(xì)胞改變了原來的預(yù)定發(fā)育方向，使細(xì)胞分化的結(jié)果偏離決定方向，也就是從一種遺傳狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種遺傳狀態(tài)稱為轉(zhuǎn)決定轉(zhuǎn)決定的發(fā)生是遺傳性突變的結(jié)果，它是一群細(xì)胞而不是單一細(xì)胞發(fā)生變化。轉(zhuǎn)決定的細(xì)胞：其它類型（同源異形）或原初狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。,2、時空性“時”=不同的發(fā)育階段“空”=環(huán)境3、不可逆性一個細(xì)胞一旦分化成穩(wěn)定類型以后，就不能逆轉(zhuǎn)到未分化狀態(tài)。如哺乳動物高度分化的成熟紅細(xì)胞不會再返回到有核的前體細(xì)胞。有機體常保留一部分未分化的多能性干細(xì)胞，可用來彌補失去的可逆性，一旦需要，干細(xì)胞即進行分裂，新細(xì)胞按發(fā)育途徑產(chǎn)生專一的分化細(xì)胞。,三、細(xì)胞分化的可逆性和全能性,細(xì)胞分化絕對是不可逆的？1958Steward：,分化的細(xì)胞→脫分化（dedifferentiation）→胚性細(xì)胞的狀態(tài)→再分化（redifferentiation）→根莖→完整植株，與胚胎發(fā)育過程相似。,細(xì)胞全能性（totipotency）指已經(jīng)分化的細(xì)胞在一定條件下不僅能脫分化，而且還保持著全套基因組織，并且有再生生物體的遺傳潛力。1964年Guha等培養(yǎng)毛葉曼陀羅的花藥產(chǎn)了單倍體花粉植物，動物細(xì)胞也能象植物細(xì)胞那樣脫分化而再生新的肢體，如蠑螈在切除肢體后可再生。(一)植物細(xì)胞全能性已被廣泛用于生產(chǎn)實踐中，現(xiàn)已培養(yǎng)出一大批包括水稻、小麥、煙草、苗木、花卉等。,（二）動物細(xì)胞的全能性受精卵能夠分化出各種細(xì)胞、組織，形成一個完整的個體。隨著分化發(fā)育的進程，細(xì)胞逐漸喪失其分化潛能。,細(xì)胞分化潛能的改變,,全能性（totipotent）多能性（pluripotency)單能性（monopotency)終末分化（terminaldifferentiation),1．全能性細(xì)胞僅在低等動物中存在或高等動物在胚胎發(fā)育的早期。2．全能性細(xì)胞核現(xiàn)在的技術(shù)手段還不能使已分化的高等動物細(xì)胞直接再生成完整個體，但許多研究證明已分化的細(xì)胞核仍保持著全套基因組并在一定條件下可具有全能性。,Gurdon（62，74，75）用非洲爪蟾為材料進行核移植，證明了已分化細(xì)胞核仍保持著全套的基因組。童第周1978曾報導(dǎo)將黑斑蛙的紅細(xì)胞核移入去核的黑斑蛙的卵，核即分裂，卵發(fā)育成正常蝌蚪，血細(xì)胞核變成各種有功能的細(xì)胞核。,1997年克隆羊的誕生（Wilmut）說明高度分化的細(xì)胞核仍具有全能性3．不可逆的分化細(xì)胞哺乳動物的紅細(xì)胞成熟后失核，馬副蛔蟲體細(xì)胞染色體消減（染色體失去達(dá)80％）等屬此類。,具有相同基因組成的細(xì)胞為什么會出現(xiàn)不同的性狀呢？肌細(xì)胞：收縮性蛋白質(zhì)紅細(xì)胞：血紅蛋白,四、細(xì)胞分化的實質(zhì),細(xì)胞分化歸根到底在于特定基因的表達(dá)即細(xì)胞分化的實質(zhì)（本質(zhì)）是基因表達(dá)的調(diào)控問題。differentiationProcessusuallyinvolvingchangesingeneexpressionbywhichaprecursorcellbecomesadistinctspecializedcelltype,（一）基因的差次表達(dá)（differentialexpression，順序表達(dá)sequential）胚胎在發(fā)育過程中之所以相繼出現(xiàn)新的細(xì)胞類型是由于有關(guān)的特定基因按照一定順序相繼活化的結(jié)果，這種現(xiàn)象稱基因的差次表達(dá)。,（二）奢侈基因與管家基因1．奢侈基因（luxurygene）指與各種分化的特殊性狀有直接關(guān)系的基因，是編碼組織特異性蛋白的基因，對細(xì)胞生存無多大影響。如血紅蛋白、絲心蛋白的基因。其特點是：（1）在特定的分化細(xì)胞中表達(dá)；（2）只在特定的時間內(nèi)表達(dá)；（3）對細(xì)胞的生存無直接影響；（4）對細(xì)胞的分化起決定性作用。,2．管家基因（housekeepinggene）指維持細(xì)胞最低限度的生命活動所不可缺少的基因，是細(xì)胞生存所必須的。如編碼與細(xì)胞分裂及能量代謝有關(guān)的蛋白質(zhì)的基因，其特點是：（1）所有細(xì)胞共有；（2）細(xì)胞周期的任何時期都表達(dá)；（3）對細(xì)胞分化只起協(xié)助作用。,管家基因與奢侈基因的拷貝數(shù)？重復(fù)基因（repeatedorduplicatedgene）非重復(fù)基因（unrepeatedoruniquegene）重復(fù)106以上稱為高度重復(fù)，如隨體DNA，102－5中度重復(fù)rRNA、tRNA、5sRNA的基因。非重復(fù)基因，重復(fù)次數(shù)102以下，如絲心蛋白的基因。管家基因=中度重復(fù)；奢侈基因=非重復(fù)基因，但有例外如羽毛角蛋白的基因100―240。,,五、細(xì)胞分化的機理,（一）細(xì)胞分化與基因本身的變化分化的細(xì)胞或核具有全能性為何致癌病毒基因整合到宿主細(xì)胞引起細(xì)胞癌變，說明基因本身的變化與細(xì)胞分化有一定關(guān)系，現(xiàn)認(rèn)為基因活性的變化與DNA的甲基化和DNA重排有關(guān)。,（二）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄控制(transcriptionalcontrol)是真核生物控制基因表達(dá)的重要調(diào)控方式，通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控，使基因在不同組織中進行差異表達(dá)。如何判斷兩種組織中差異蛋白的來源?轉(zhuǎn)錄調(diào)控的實驗證據(jù)：組織特異性mRNA。1．唾腺染色體疏松區(qū)和Puff位置的變化說明細(xì)胞分化過程中染色體的基因按照一定順序進行差次表達(dá)，什么因素導(dǎo)致基因的開關(guān)轉(zhuǎn)錄出不同的mRNA？,2．染色質(zhì)重組實驗Gilmour和paul取兔子胸腺和骨髓細(xì)胞的染色質(zhì)分別分離出DNA、非組Pr和組Pr，用重組的染色質(zhì)作模板，加入RNA聚合酶和各種前體核苷酸就可合成RNA,結(jié)果如下：（1）未分離的胸腺染色質(zhì)能合成胸腺mRNA（2）未分離的骨髓染色質(zhì)能合成骨髓mRNA（3）重組的胸腺染色質(zhì)能合成胸腺mRNA（4）重組的骨髓染色質(zhì)能合成骨髓mRNA（5）[骨髓DNA＋組Pr＋胸腺DNA＋組Pr]＋胸腺非組蛋白重組后→合成胸腺mRNA（6）[骨髓DNA＋組Pr＋胸腺DNA＋組Pr]＋骨髓非組蛋白重組后→合成骨髓mRNA,染色體重組實驗表明，非組蛋白與基因選擇性表達(dá)的調(diào)節(jié)密切相關(guān)，特異的非組Pr可能決定相應(yīng)的特定基因的轉(zhuǎn)錄，即調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄過程中的調(diào)控因素是非組Pr。但也有人證明mRNA是基因表達(dá)的激活因素（牛滿江1970，孵化16―18小時的雞胚切成兩半，放在生理鹽水中或心臟的mRNA中浸泡后培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)在生理鹽水中浸泡過的雞胚發(fā)育正常，而心臟mRNA浸過的心臟發(fā)育特大，而其它均發(fā)育不良，故牛滿江認(rèn)為心臟的mRNA激活了心肌的基因表達(dá)）。,3.組蛋白轉(zhuǎn)移模型（histonedisplacementmodel）Stein1975年提出組蛋白轉(zhuǎn)移模型：組蛋白與DNA鏈結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)錄，非組蛋白在一定的部位與DNA結(jié)合，它發(fā)生磷酸化帶上負(fù)電荷，即與帶正電荷的組蛋白牢固結(jié)合而使DNA裸露（結(jié)合物從DNA上離開）使此部位DNA發(fā)生轉(zhuǎn)錄。,組蛋白能使基因的轉(zhuǎn)錄過程關(guān)閉，而非組蛋白則能有選擇地使基因的轉(zhuǎn)錄過程打開。,這只是大概的認(rèn)識有許多細(xì)節(jié)不能解釋清楚：如非組蛋白種類很多，那種非組蛋白調(diào)節(jié)哪種基因的轉(zhuǎn)錄？組蛋白被包圍在核小體內(nèi)在轉(zhuǎn)錄時怎樣使其脫離？而非組蛋白也是受基因編碼的，其調(diào)節(jié)如何都有待進一步研究。,（三）轉(zhuǎn)錄后調(diào)控轉(zhuǎn)錄后調(diào)控指mRNA的后加工及其降解。1．簡單的轉(zhuǎn)錄本的加工2．復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄本的加工,（四）翻譯（轉(zhuǎn)譯）水平的調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)中進行的轉(zhuǎn)譯水平的調(diào)控包括:mRNA穩(wěn)定性的控制、翻譯起始的控制、翻譯效率、差別翻譯等。對于翻譯水平的調(diào)節(jié)目前有的實驗表明分化細(xì)胞內(nèi)并無專門調(diào)節(jié)mRNA翻譯的機制，而有些實驗則揭示存在翻譯水平的調(diào)節(jié)。,1．Gurdon（1971）把兔、小鼠、鴨等的血紅蛋白mRNA及牛晶體蛋白mRNA分別注入非洲爪蟾的卵母細(xì)胞中，結(jié)果這些異體mRNA都很穩(wěn)定并翻譯成相應(yīng)的Pr，說明非洲爪蟾卵母細(xì)胞的轉(zhuǎn)譯機構(gòu)無特異性。,2．Woodland（1974）把兔、小鼠的血紅蛋白的mRNA注射到非洲爪蟾的受精卵，發(fā)現(xiàn)這些mRNA穩(wěn)定，并在第八天（蝌蚪期）發(fā)現(xiàn)有兔、小鼠的血紅蛋白，它存在于蝌蚪的任一組織內(nèi)，包括肌肉。說明異源mRNA穩(wěn)定并在分化的細(xì)胞中也可表達(dá)，這說明分化細(xì)胞內(nèi)并無專門控制某種mRNA轉(zhuǎn)譯的機制。,3．童第周和牛滿江（1975）鯽金魚鯉金魚,4．翻譯效率兔紅細(xì)胞前體中提取mRNA，它們含有大量的α、β鏈合成的mRNA，注入蛙卵母細(xì)胞，β鏈合成約為α鏈5倍（5:1）似乎在卵蛙母細(xì)胞中βmRNA轉(zhuǎn)譯效率高，可是把血紅素一塊注射蛙卵母細(xì)胞中，α、β產(chǎn)量相同.說明血紅素可能通過影響轉(zhuǎn)譯的速度而對基因表達(dá)進行某種調(diào)控。5．卵母細(xì)胞的翻譯調(diào)控在許多脊椎動物和無脊椎動物的未受精卵細(xì)胞質(zhì)中貯存許多mRNA，但它們大部分不用來翻譯，只有受精后才能翻譯。,,受精引起新的mRNA合成?,放線菌素D(actinomycinD)=RNA合成抑制劑,關(guān)于其活化機理推測是受精前被蛋白質(zhì)遮蓋或局限在某特定部位不轉(zhuǎn)譯，受精后擺脫束縛才轉(zhuǎn)譯。這些貯存在卵母細(xì)胞中沒有翻譯活性的mRNA常被稱作“隱蔽”mRNA(maskedmRNA)，受精后mRNA從無活性到有活性狀態(tài)的轉(zhuǎn)變發(fā)生相當(dāng)快。這些預(yù)存mRNA的激活與兩個不同的事件有關(guān)：一是結(jié)合的抑制蛋白被釋放，二是通過卵細(xì)胞質(zhì)中一種酶的作用使mRNA多聚(A)尾巴長度增加。,（五）翻譯后調(diào)控在真核生物中許多激素的合成都是以一個共同的前體合成的，稱為聚蛋白，然后切割成不同的蛋白質(zhì)。但是在不同的組織中，切割的方式是不同的，因此相同的基因在不同的組織中合成不同的激素蛋白。例如多肽蛋白阿黑皮素原(pro-opiomelanocortinPOMC)的合成就是一例,一、概念二、細(xì)胞分化的物質(zhì)基礎(chǔ)和特點基礎(chǔ)是新的蛋白質(zhì)的產(chǎn)生特點是（1）決定性（2）時空性（3）不可逆性三、細(xì)胞分化的可逆性和全能性四、細(xì)胞分化的實質(zhì)奢侈基因的表達(dá)五、細(xì)胞分化的機理5層次或者說3水平,課后閱讀資料：1.克隆羊多莉前世今生2.世界上首只克隆羊多利被執(zhí)行“安樂死”3.Viableoffspringderivedfromfetalandadultmammaliancells.WilmutI,SchniekeAE,McWhirJ,KindAJ,CampbellKH.Nature.1997Feb27;385(6619):810-3.4.《真核基因表達(dá)調(diào)控》(修訂版)沈珝琲方福德主編北京高等教育出版社19971999年全國優(yōu)秀科技圖書暨科技進步一等獎思考題：克隆羊的誕生涉及細(xì)胞生物學(xué)的哪些技術(shù)？它為何早衰？,,