细胞分化细胞分化(cell differentiation)卓卓 巍巍内内 容容第一节第一节 细胞分化的基本概念细胞分化的基本概念第二节第二节 细胞分化的分子基础细胞分化的分子基础第三节第三节 细胞分化的影响因素细胞分化的影响因素第四节第四节 细胞分化的医学意义细胞分化的医学意义第一节第一节 基本概念基本概念一、贯穿于发育的全程二、具有高度的稳定性三、分化方向由细胞决定所选择 四、特定条件下可发生去分化和转分化五、细胞分化的时-空性 细胞分化的概念细胞分化的概念：由单个受精卵产生的细胞，在形态结构、生化组成和功能等方面均有明显的差异，形成这种稳定性差异的过程过程称为细胞分化细胞分化(cell differentiation) 。 一、细胞分化贯穿于多细胞生物一、细胞分化贯穿于多细胞生物个体发育的全过程个体发育的全过程多细胞生物的个体发育过程： 一般包括胚胚胎胎发发育育和胚胚后后发发育育两个阶段，前者包括卵裂、囊胚、原肠胚等几个基本的发育阶段，脊椎动物还要经过神经轴胚期以及器官发生等阶段。细胞分化的明显改变开始于原肠胚形成之后。后者指从卵膜孵化出或者母体分娩以后，经幼年、成年、老年和衰老死亡的过程。1、三胚层代表不同类型细胞的分化去向、三胚层代表不同类型细胞的分化去向2、细胞分化潜能随个体发育进程逐渐、细胞分化潜能随个体发育进程逐渐“缩窄缩窄” 细胞分化的一般规律：细胞分化的一般规律：在胚胎发育过程中，细胞逐渐由“全能全能”到到“多能多能”，最后向“单能”的趋向。8细胞期细胞期之前的细胞和受精卵一样，一定条件下均能分化发育成完整个体。干细胞的分类干细胞的分类-干细胞分化潜能 Monopotent-single cell type Monopotent-single cell type全能性全能性细胞核（胞核（totipotent nucleus）：）：终末分化末分化细胞胞的的细胞核仍然具有全能性。胞核仍然具有全能性。证明细胞核全能性的实验证明细胞核全能性的实验核移植实验核移植实验。3.终末分化细胞的细胞核具有全能性终末分化细胞的细胞核具有全能性 爪蟾核移植实验爪蟾核移植实验戈登戈登Cell Differentiationp J. B. Gurdon, “The developmental capacity of nuclei taken from intestinal epithelium cells of feeding tadpoles,” Journal of Embryology and Experimental Morphology, vol. 10, pp. 622640, 1962. 哺乳哺乳动物核移植物核移植实验“多莉多莉”（Dolly）羊的）羊的诞生生Cell Differentiationp I. Wilmut, A. E. Schnieke, J. McWhir, A. J. Kind, and K. H. Campbell, “Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells,” Nature, vol. 385, no. 6619, pp. 810813, 1997.1. 细胞决定先于细胞分化并制约着分化的方向细胞决定先于细胞分化并制约着分化的方向 细细胞胞决决定定(cell determination)：在个体发育过程中，细胞在发发生生可可识识别别的的分分化化特特征征之之前前就就已已经经确确定定了了未未来来的的发发育育命命运运，只能向特定方向分化的状态。二、细胞分化的方向由细胞决定来选择二、细胞分化的方向由细胞决定来选择细胞决定实验示意图细胞决定实验示意图早早期期晚晚期期两栖类胚胎（表皮细胞移植到脑组织）2. 2. 细胞决定具有遗传稳定性细胞决定具有遗传稳定性 细胞决定表现出遗传稳定性。典型的例子是果蝇成虫盘细胞的移植成虫盘细胞的移植实验。 在果蝇研究中发现，有时某种培养的成虫盘细胞会出现不按已决定的分化类型发育，而是生长出不是相应的成体结构，发生了转决定（transdetermination）。果蝇成虫盘细胞决定状态的移植实验果蝇成虫盘细胞决定状态的移植实验1800次次已分化的细胞在特定条件下可发生已分化的细胞在特定条件下可发生去分化和转分化去分化和转分化1.1.细胞分化具有高度的稳定性细胞分化具有高度的稳定性 2.2.已分化的细胞可发生去分化或转分化已分化的细胞可发生去分化或转分化 三、细胞分化的可塑性三、细胞分化的可塑性去分化去分化(dedifferentiation)：从高度分化的细：从高度分化的细胞向其前体细胞或祖细胞胞向其前体细胞或祖细胞逆分化逆分化方向的一致转变方向的一致转变 Limb RegenerationRegeneration of salamander limbs requires concomitant regeneration of the severed nerves. A single protein, nAG, can substitute for the regenerating nerve cells. Science,2007:p 转分化转分化(trans-differentiation) ：从一种分化 状态转变为另一种分化状态，称为转分化。3、特定条件下已分化细胞可转分化为另一种类型细胞、特定条件下已分化细胞可转分化为另一种类型细胞四、细胞分化的时四、细胞分化的时- -空性空性p一个细胞在不同的发育阶段可以有不同的形态结构和功能，即时间时间上的分化；p同一种细胞的后代，由于每种细胞所处的空间位置不同，其环境也不一样，可以有不同的形态和功能，即空间空间上的分化。第二节第二节 细胞分化的分子基础细胞分化的分子基础一、本质：一、本质：不同基因选择性表达不同基因选择性表达二、调控：二、调控：主要发生在转录水平主要发生在转录水平三、其他：三、其他：非编码非编码RNARNA调控靶基因决定细胞分化调控靶基因决定细胞分化一、本质：基因组不同基因选择性表达一、本质：基因组不同基因选择性表达1. 基因的选择性表达是细胞分化的普遍规律基因的选择性表达是细胞分化的普遍规律基因组DNA呈现选择性表达呈现选择性表达，它们按照一定的时时-空空顺序，在不同细胞和同一细胞的不同发育阶段发生差异发生差异表达表达（differential expression）。 细胞分化的本质：细胞分化的本质： 处于活化状态，同时另一些基因被抑制而不活化。p 奢侈基因（奢侈基因（luxury gene）：）：编码组织细胞特异性蛋白的基因。p 管家蛋白管家蛋白(housekeeping protein) ：由管家基因(housekeeping gene)表达，存在于所有分化类型细胞中，维持细胞生存所必需的基本蛋白，如细胞骨架蛋白、膜蛋白、染色质的组蛋白、核糖体蛋白。luxury goodsTransdifferentiation by linage specific transfactors2. 基因组改变是细胞分化的基因组改变是细胞分化的特例特例基基因因组组扩扩增增：见于果蝇的腺细胞和卵巢滤泡细胞，染色体多次复制，形成多倍体（polyploid）和多线体（polyteny）。基基因因组组丢丢失失：在马蛔虫发育过程中，只有生殖细胞得到了完整染色体，而体细胞中的染色体只是部分染色体片段。哺乳动物（除骆驼外）的红细胞以及皮肤、羽毛和毛发的角化细胞则丢失了完整的核。基基因因重重排排：在B淋巴细胞分化过程中，DNA通过体细胞重组（somatic recombination）, 使DNA序列中不同部位的部分基因片段连接在一起，组成产生抗体mRNA的DNA序列。二、调控：主要发生在转录水平二、调控：主要发生在转录水平 1、组组织织细细胞胞特特异异性性转转录录因因子子和和活活性性染染色色质质结结构区决定了细胞特异性蛋白的表达构区决定了细胞特异性蛋白的表达 通通用用转转录录因因子子：为大量基因转录所需要并在许多细胞类型中都存在的因子。 组组织织细细胞胞特特异异性性转转录录因因子子：为特定基因或一系列组织特异性基因所需要，并在一个或很少的几种细胞类型中存在的因子。 脊椎动物的血红蛋白由2条-珠蛋白链和2条-珠蛋白链组成在个体发育不同时期表达不一样。活性染色质结构区活性染色质结构区血红蛋白选择性表达机制：血红蛋白选择性表达机制：在个体发育过程中依次有不同的-珠蛋白基因的打开和关闭，这与-珠珠蛋蛋白白基基因因簇簇上上游游的的基基因因座座控控制制区区（locus control region, LCR）有关。 LCR控制的控制的-珠蛋白基因活化的可能机制珠蛋白基因活化的可能机制2. 关键基因启动特定谱系细胞的分化关键基因启动特定谱系细胞的分化细胞分化主导基因（master control gene）:该基因一旦打开，维持在活化状态，表现为一旦打开，维持在活化状态，表现为能充分的诱导细胞沿着某一分化途径进行能充分的诱导细胞沿着某一分化途径进行，从而导致特定谱系细胞的发育。例如，在哺乳动物的成肌细胞向肌细胞分化过程中，myoD基因起重要作用。 脊椎动物骨骼肌细胞分化机制脊椎动物骨骼肌细胞分化机制 3. 染色质成分的共价修饰调控基因的转录染色质成分的共价修饰调控基因的转录p DNA的甲基化；p 组蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化和羰基化。 DNA和组蛋白的修饰都会引起染色质结构和基因转录活性的变化。染色质成分的共价修饰在基因转录调控上的作用是可遗传的。p概概念念：在甲基转移酶催化下，DNA分子中的胞胞嘧啶嘧啶可转变成5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶。p分分布布：常见于富含CG二核苷酸的CpG岛，主要集中于异染色质区，其余则散在于基因组中。p含含量量：哺乳动物基因组中约70%80%的CpG位点是甲基化的。p作作用用：DNA的甲基化位点阻碍转录因子结合，甲基化程度越高，DNA转录活性越低。 DNA甲基化在转录水平上调控细胞分化基因表达甲基化在转录水平上调控细胞分化基因表达 人类胚胎红细胞中珠蛋白基因的甲基人类胚胎红细胞中珠蛋白基因的甲基化化X染色体失活染色体失活组蛋白修饰组蛋白修饰（Histone modification）p组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为组蛋白密码（组蛋白密码（histone code），），它决定了染色质转录活跃或沉默活跃或沉默的状态。p组蛋白乙酰化：在组蛋白乙酰基转移酶(HATs)作用下，于组蛋白N-端尾部的赖氨酸加上加上乙酰基。p乙酰化的作用：在大多数情况下，组蛋白乙酰化组蛋白乙酰化有利于基因转录有利于基因转录。低乙酰化的组蛋白通常位于非转录活性的常染色质区域或异染色质区域。组蛋白的乙酰化和去乙酰化组蛋白的乙酰化和去乙酰化p 组蛋白的化学修饰将引起局部染色质结构的局部染色质结构的改变改变，并进而决定了转录因子是否能够与基因表达调控区结；p 基因活化蛋白一方面通过组蛋白修饰导致染色质结构改变；p 另一方面还可募集依赖于ATP的染色质重塑复合体，使启动子部位的核小体舒展开。组蛋白修饰的功能组蛋白修饰的功能EpigeneticsIn biology, and specifically genetics, epigenetics is the study of heritable changes in gene expression or cellular phenotype caused by mechanisms other than changes in the underlying DNA sequence hence the name epi- (Greek: - over, above, outer) -genetics. It refers to functionally relevant modifications to the genome that do not involve a change in the nucleotide sequence. Whats epigenetics?4.4.同源异形框基因规划机体前同源异形框基因规划机体前- -后体轴结的后体轴结的分化与发育蓝图分化与发育蓝图p同同源源异异形形框框基基因因：广泛存在于从酵母到人类的各种真核生物中的基因，其特点是基因中存在共同的180bp的DNA片段，编码高度同源的60个氨基酸。这个共同的180bp DNA片段被称为同源异形框（homeobox），相应基因称为同同源源异异形形框框基基因因（homeobox gene），如果蝇的HOM 基因，动物和人类的Hox基因。p同同源源异异形形域域蛋蛋白白：由同源异形框基因编码的蛋白称为同源异形域蛋白（homeodomain protein）。 高度保守的60个氨基酸片段，为一种螺旋-环-螺旋（HLH）结构，其中的9个氨基酸（第4250位）与DNA的的大大沟沟相相结结合合，能识别其所控制的基因启动子中的特异序列，引起特定基因表达的激活或阻抑。不同生物同源异形框编码的氨基酸序列比较不同生物同源异形框编码的氨基酸序列比较HOM 或 Hox基因在染色体上的排列顺序与其在体内的不同时空表达模式不同时空表达模式相对应：这些基因激活的时间顺序表现为越靠近前部的基越靠近前部的基因表达越早因表达越早，而靠近后部的基因表达较迟而靠近后部的基因表达较迟。这些基因表达的空间顺序表现为头区的最前叶只头区的最前叶只表达该基因簇的第一个基因，而身体最后部则表表达该基因簇的第一个基因，而身体最后部则表达基因簇的最后一个基因达基因簇的最后一个基因。果蝇和小鼠同源异形框基因及其表达模式果蝇和小鼠同源异形框基因及其表达模式三、小三、小RNA在细胞分化中的作用在细胞分化中的作用 小RNA 是长度约在2030nt的非编码RNA。小RNA是在研究秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegan）细胞命运的时间控制过程中被发现的；广泛地存在于哺乳动物，具有高度的保守性保守性，通过与靶基因mRNA互补结合而抑制蛋白质合抑制蛋白质合成成或促使靶基因促使靶基因mRNA降解降解。研究表明，它们参与了细胞分化与发育的基因表达调控。2006年，安德鲁费尔(Andrew Fire)和克里格米洛(Craig C. Mello) 因为 RNAi 荣获诺贝尔奖 第三节第三节 细胞分化的影响因素细胞分化的影响因素一、胞质中的细胞分化决定因子与传递方式一、胞质中的细胞分化决定因子与传递方式二、胚胎细胞间相互作用协调细胞分化的方向二、胚胎细胞间相互作用协调细胞分化的方向三、环境因素对细胞分化的影响三、环境因素对细胞分化的影响一、胞质中的细胞分化决定因子与传递方式一、胞质中的细胞分化决定因子与传递方式1.母体效母体效应基因基因产物的极性分布决定了物的极性分布决定了细胞分化与胞分化与发育育的命运的命运母体效母体效应基因（基因（maternal effect gene, MEG）产物：物：在在卵卵质中呈极性分布、在受精后被翻中呈极性分布、在受精后被翻译为在胚胎在胚胎发育中育中起重要作用的起重要作用的转录因子和翻因子和翻译调节蛋白的蛋白的mRNA分子分子，它它们在在细胞胞发育命运的决定中起重要作用。育命运的决定中起重要作用。 Cell Differentiation1.母体效母体效应基因基因产物的极性分布物的极性分布 决定了决定了细胞分化与胞分化与发育的命运育的命运 受精前后受精前后bicoid基因基因mRNA及翻译蛋白的浓度梯度分布及翻译蛋白的浓度梯度分布2. 胚胎胚胎细胞分裂胞分裂时胞胞质的不均等分配影响的不均等分配影响细胞的分胞的分化命运化命运 不不对称分裂的概念：称分裂的概念：在胚胎早期在胚胎早期发育育过程中，程中，细胞胞质成分是不均成分是不均质的的，胞，胞质中某些成分的分布有中某些成分的分布有区域性。当区域性。当细胞分裂胞分裂时，细胞胞质成分被不均等地成分被不均等地分配到子分配到子细胞中胞中，这种不均一性胞种不均一性胞质成分可以成分可以调控控细胞核基因的表达，在一定程度上决定胞核基因的表达，在一定程度上决定细胞的胞的早期分化。早期分化。不对称分裂的实例：不对称分裂的实例： 细胞质中细胞质中numb蛋白的不对称分布能够影响果蝇神经细胞的发育蛋白的不对称分布能够影响果蝇神经细胞的发育Cell Differentiation胚胎胚胎诱导：胚胎胚胎发育育过程中，一部分程中，一部分细胞胞对邻近近细胞胞产生影响并决定其分化方向的生影响并决定其分化方向的现象，称象，称为诱导或或胚胎胚胎诱导(embryonic induction)。胚胎胚胎诱导的特点：的特点： 胚胎胚胎细胞胞间的相互的相互诱导作用是作用是有有层次的次的。在三个胚。在三个胚层中，中，中胚中胚层首先独立分化首先独立分化，该过程程对相相邻胚胚层有有很很强强的分化的分化诱导作用作用，促，促进内胚内胚层、外胚、外胚层各自向相各自向相应的的组织器官分化。器官分化。二、细胞间相互作用对细胞分化中的影响二、细胞间相互作用对细胞分化中的影响1.胚胎细胞间相互作用的主要表现形式是胚胎诱导胚胎细胞间相互作用的主要表现形式是胚胎诱导Cell Differentiation眼球发育过程中的多级诱导作用眼球发育过程中的多级诱导作用A. 初级诱导初级诱导 B. 次级诱导次级诱导 C. 三级诱导三级诱导退退 出出首首 页页Cell Differentiation胚胎胚胎诱导的分子基的分子基础：胚胎胚胎诱导是通是通过诱导组织释放的各种旁分泌因子（放的各种旁分泌因子（paracrine factor）实现的。的。这些些旁分泌因子以旁分泌因子以诱导组织为中心形成由近中心形成由近及及远的的浓度梯度度梯度，它，它们与反与反应组织细胞表面的受胞表面的受体体结合，将信号合，将信号传递至至细胞内，通胞内，通过调节反反应组织细胞的基因表达胞的基因表达而而诱导其其发育和分化。育和分化。Cell Differentiation近分泌相互作用：胚胎细胞之间直接接触，细胞膜并置在近分泌相互作用：胚胎细胞之间直接接触，细胞膜并置在一起，一个细胞表面的膜蛋白与邻近细胞表面受体相互作一起，一个细胞表面的膜蛋白与邻近细胞表面受体相互作用。用。Notch-Delta信号途径。信号途径。近分泌相互作用与胚胎近分泌相互作用与胚胎诱导常见的胚胎诱导信号转导通路常见的胚胎诱导信号转导通路信号通路信号通路配体家族配体家族受体家族受体家族细胞外抑制或胞外抑制或调节因子因子受体酪氨酸激受体酪氨酸激酶酶EGFFGF（Branchless）ephrinsEGF受体受体FGF受体（受体（Breathless）Eph受体受体ArgosTGF-超家族超家族TGF-BMP（Dpp）NodalTGF-受体受体BMP受体受体chordin(Sog), nogginWntWnt(Wingless)FrizzledDickkopf, CerberusHedgehogHedgehogPatched, SmoothenedNotchDeltaNotchFringeCell Differentiation旁分泌因子在胚胎的不同发育阶段以及处于不同位置的胚胎旁分泌因子在胚胎的不同发育阶段以及处于不同位置的胚胎细胞中的表达差异，提供了细胞中的表达差异，提供了胚胎发育过程中的位置信息。胚胎发育过程中的位置信息。位置信息（位置信息（sonic hedgehog信号）在翅膀发育中的作用信号）在翅膀发育中的作用Cell Differentiation激素对细胞分化的调节激素对细胞分化的调节激素是激素是远距离细胞间相互作用远距离细胞间相互作用的分化调节因子，的分化调节因子，是是个体发育晚期的细胞分化调控方式个体发育晚期的细胞分化调控方式。激素影响细胞分化与发育的典型例子是动物发育激素影响细胞分化与发育的典型例子是动物发育过程中的变态（过程中的变态（metamorphosis）效应。）效应。昆虫的变态发育受蜕皮激素的影响；昆虫的变态发育受蜕皮激素的影响；两栖类的变态与甲状腺激素（两栖类的变态与甲状腺激素（T3,T4）有关。）有关。Cell Differentiation三、环境因素对细胞分化的影响三、环境因素对细胞分化的影响细胞分化的方向可因环境影响而改变。细胞分化的方向可因环境影响而改变。目前已了解到，目前已了解到，物理的物理的、化学的化学的和和生物性生物性因素均可对细胞的分因素均可对细胞的分化与发育产生重要影响。化与发育产生重要影响。两栖类动物受精卵的背两栖类动物受精卵的背-腹轴决定，与腹轴决定，与重力重力有关；有关；在低等脊椎动物，性别决定与分化受在低等脊椎动物，性别决定与分化受环境因素环境因素的影响较的影响较大，如温度；大，如温度；哺乳类动物（包括人类）哺乳类动物（包括人类）B淋巴细胞的分化与发育则依淋巴细胞的分化与发育则依赖于赖于外来性抗原外来性抗原的刺激。的刺激。 Cell Differentiation第四节第四节 细胞分化与医学细胞分化与医学一、细胞分化与肿瘤一、细胞分化与肿瘤二、细胞分化与再生医学二、细胞分化与再生医学退退 出出首首 页页Cell Differentiation一、细胞分化与肿瘤一、细胞分化与肿瘤1.肿瘤细胞是异常分化的细胞肿瘤细胞是异常分化的细胞细胞分化观点认为分化障碍是肿瘤细胞的一个重要生物学细胞分化观点认为分化障碍是肿瘤细胞的一个重要生物学特性。特性。肿瘤是由于正常基因功能受控于错误的表达程序所致。肿瘤是由于正常基因功能受控于错误的表达程序所致。恶性肿瘤是细胞分化和胚胎发育过程中的一种异常表现。恶性肿瘤是细胞分化和胚胎发育过程中的一种异常表现。肿瘤细胞主要表现出肿瘤细胞主要表现出低分化低分化和和高增殖高增殖的特征。的特征。退退 出出首首 页页Cell Differentiation3. 肿瘤瘤细胞的分化起源胞的分化起源肿瘤瘤细胞群体大致可分胞群体大致可分为四种四种类型：型：干干细胞：胞：是是肿瘤瘤细胞群体的起源，具有无限分裂增殖及自我胞群体的起源，具有无限分裂增殖及自我更新能力，更新能力，维持整个群体的更新和生持整个群体的更新和生长；过渡渡细胞：胞：由干由干细胞分化而来，具胞分化而来，具备有限分裂增殖能力，但有限分裂增殖能力，但丧失自我更新特征；失自我更新特征；终末末细胞：胞：是分化成熟是分化成熟细胞，已胞，已彻底底丧失分裂增殖失分裂增殖 能力；能力；G0期期细胞：胞：是是细胞群体中的后胞群体中的后备细胞，有增殖潜能但不分胞，有增殖潜能但不分裂，在一定条件下，可以更新裂，在一定条件下，可以更新进入增殖周期。入增殖周期。Cell Differentiation大量证据表明，肿瘤起源于一些未分化或微分化的干细胞，是大量证据表明，肿瘤起源于一些未分化或微分化的干细胞，是由于组织更新时所产生的由于组织更新时所产生的分化异常分化异常所致。所致。放疗能将乳腺癌细胞转变为癌干细胞放疗能将乳腺癌细胞转变为癌干细胞（Pajonk et al., Stem Cells 2012 ） Cancer stem cell and its reprogramming4. 肿瘤瘤细胞向正常胞向正常细胞的胞的诱导分化分化肿瘤细胞可以在高浓度的肿瘤细胞可以在高浓度的分化信号诱导分化信号诱导下，增殖减下，增殖减慢，分化加强，走向正常的终末分化。这种诱导分慢，分化加强，走向正常的终末分化。这种诱导分化信号分子称为化信号分子称为分化诱导剂分化诱导剂。分化诱导剂对肿瘤的这种促分化作用，称为分化诱导剂对肿瘤的这种促分化作用，称为分化诱分化诱导作用导作用。如：可利用维如：可利用维A酸对肿瘤细胞的诱导分化作用治疗酸对肿瘤细胞的诱导分化作用治疗人急性早幼粒细胞白血病。人急性早幼粒细胞白血病。Cell Differentiation1. 再生的本再生的本质与方式与方式 再生的本再生的本质：是成体是成体动物物为修复缺失修复缺失组织器官的器官的发育再活化，是多潜能未分化育再活化，是多潜能未分化细胞的再胞的再发育。育。再生的方式：再生的方式：微微变态再生：再生：是两栖是两栖类动物再生肢体的主要方式。物再生肢体的主要方式。变形再生：形再生：见于水螅的再生。于水螅的再生。补偿性再生：性再生：是哺乳是哺乳动物肝物肝脏再生的方式。再生的方式。Cell Differentiation二、细胞分化与再生医学二、细胞分化与再生医学找出激活曾经是人体器官形成的发育程序的方法：找出激活曾经是人体器官形成的发育程序的方法：其中一种方法是寻找相对未分化的多潜能干细胞；其中一种方法是寻找相对未分化的多潜能干细胞；另外一种方法是寻找能够允许这些细胞开始形成另外一种方法是寻找能够允许这些细胞开始形成特定组织细胞的环境。特定组织细胞的环境。2. 再生的医学意义再生的医学意义Cell Differentiation测试题测试题1、细胞分化的本质。