1、第第15章章 細胞分化與細胞分化與胚胎發育胚胎發育第一節：細胞分化第一節：細胞分化 一、細胞分化的基本概念一、細胞分化的基本概念 二、細胞的全能性與多能干細胞二、細胞的全能性與多能干細胞 三、影響細胞分化的因素三、影響細胞分化的因素第二節第二節 胚胎發育中的細胞分化胚胎發育中的細胞分化 一、生殖細胞的分化一、生殖細胞的分化 二、早期胚胎發育過程中的細胞分化二、早期胚胎發育過程中的細胞分化 三、果蠅胚胎早期發育中的細胞分化三、果蠅胚胎早期發育中的細胞分化講授的內容：細胞分化與有機體細胞的復雜性細胞分化與有機體細胞的復雜性第一節第一節 細胞分化細胞分化（一）細胞分化是基因選擇性表達的結果（一）細胞

2、分化是基因選擇性表達的結果細胞分化細胞分化(cell differentiation)：在個體發育中，由：在個體發育中，由一種相一種相同的細胞類型同的細胞類型經細胞分裂后逐漸在形態、結構和功能上經細胞分裂后逐漸在形態、結構和功能上形成形成穩定性差異穩定性差異，產生，產生各不相同的細胞類群各不相同的細胞類群的過程。的過程。細胞分化是多細胞生物發育的基礎與核心；細胞分化是多細胞生物發育的基礎與核心；細胞分化的細胞分化的關鍵關鍵在于在于特異性蛋白質合成特異性蛋白質合成；合成特異性蛋白；合成特異性蛋白質質實質實質在于在于組織特異性基因組織特異性基因在在時間和空間時間和空間上的上的差異性差異性表表達；達

3、；差異性表達的差異性表達的機制機制是由于基因表達的是由于基因表達的組合調控組合調控。 一、細胞分化的概念一、細胞分化的概念細胞分化是基因選擇性表達的結果細胞分化是基因選擇性表達的結果 表表15-2 15-2 結果表明，不同類型的細胞各自表達一套特異的結果表明，不同類型的細胞各自表達一套特異的基因，其產物不僅決定細胞的形態，而且執行特定的生理功能。基因，其產物不僅決定細胞的形態，而且執行特定的生理功能。（二）管家基因與組織特異性基因分化基因組所表達的基因分為兩種基本類型類：分化基因組所表達的基因分為兩種基本類型類：管家基因管家基因：指細胞中均表達的一類基因，：指細胞中均表達的一類基因，其產物其產

4、物是是維持細胞基本生命活動所必須的。維持細胞基本生命活動所必須的。 占整個基因組的占整個基因組的3%3%左右，轉錄起始部位無左右，轉錄起始部位無TATATATA框，框，僅有僅有CGCG島，內含子相對很短。編碼的產物多為細胞基礎代島，內含子相對很短。編碼的產物多為細胞基礎代謝所需酶類、核糖體蛋白、膜轉運蛋白，周期調控蛋白等謝所需酶類、核糖體蛋白、膜轉運蛋白，周期調控蛋白等。組織特異性基因組織特異性基因：指不同類型細胞中特異性表達的：指不同類型細胞中特異性表達的基因（細胞類型特異性基因），其基因（細胞類型特異性基因），其產物賦予產物賦予各種類各種類型細胞特異的型細胞特異的形態結構特征形態結構特征與

5、與特異的功能特異的功能。 占基因總數的絕大多數，調控并參與細胞分化和組織占基因總數的絕大多數，調控并參與細胞分化和組織器官的建成。器官的建成。圖圖15-1 組合調控的作用機制示意圖分化組合調控的作用機制示意圖分化（三）組合調控引發組織特異性基因的表達（三）組合調控引發組織特異性基因的表達有限少量調控蛋白啟動了為數眾多的特異細胞類型的分化程序。其機制就是每種類型的細胞分化是有多種調控蛋白共同參與完成的。通過細胞分化構建執行不同功能的組織器官（四）單細胞有機體的細胞分化（四）單細胞有機體的細胞分化圖15-2 黏菌繁殖過程示意圖單細胞變形體單細胞變形體多細胞的蛞蝓形假原質團多細胞的蛞蝓形假原質團為了

6、適應外界的生活環境的改變（五）轉分化與再生（五）轉分化與再生轉分化轉分化（transdifferentiationtransdifferentiation）：一種類型的分化細胞轉變成一種類型的分化細胞轉變成另一種類型的分化細胞現象另一種類型的分化細胞現象。轉分化轉分化經歷經歷去分化去分化（dedifferentiationdedifferentiation，或稱，或稱脫分化脫分化）和和再分化再分化的的過程。過程。 生物界普遍存在再生現象（生物界普遍存在再生現象（regenerationregeneration），），再生再生是指生是指生物體物體缺失部分缺失部分后重建后重建過程，廣義的再生可包括

7、過程，廣義的再生可包括分子水平分子水平、細胞水平細胞水平、組織組織與與器官器官水平及水平及整體整體水平的再生。水平的再生。不同的細胞有機體，其再生能力有明顯的差異。不同的細胞有機體，其再生能力有明顯的差異。植物比動物再生能力強，低等動物比高等動物再生能力強。植物比動物再生能力強，低等動物比高等動物再生能力強。 人和其他動物只有組織水平（除肝外）的再生能力，并隨人和其他動物只有組織水平（除肝外）的再生能力，并隨個體年齡增大而下降。個體年齡增大而下降。 二、細胞的全能性與多能干細胞二、細胞的全能性與多能干細胞圖圖15-3 造血干細胞逐級分化為各種類型的血細胞造血干細胞逐級分化為各種類型的血細胞（一

8、）細胞的全能性指細胞經分裂和分化后仍具有形成完整有機體的潛能或特性。動物全能性細胞：受精卵、卵裂早期的胚胎細胞。植物體細胞：培養過程中的外植體組織或愈傷細胞圖圖15-4 iPS 細胞建系過程示意圖細胞建系過程示意圖誘導多能干細胞誘導多能干細胞(induced pluripotent stem cells iPS）Oct3/4Oct3/4，Sox2Sox2、c-Mycc-Myc和和Klf4Klf4這四種轉這四種轉錄因子基因錄因子基因克隆入病毒載體克隆入病毒載體，然后引入，然后引入小鼠成纖維細胞，發現可誘導其發生轉小鼠成纖維細胞，發現可誘導其發生轉化，產生的化，產生的iPSiPS細胞在形態、基因和

9、蛋細胞在形態、基因和蛋白表達、分化能力等方面與胚胎干細胞白表達、分化能力等方面與胚胎干細胞相似。相似。誘導多能干細胞的研究誘導多能干細胞的研究小鼠成纖維細胞小鼠成纖維細胞高等動物的細胞，隨著胚胎的發育和細胞分化，細胞逐漸喪失了發育個體的能力，僅具有分化成多種細胞類型及構建組織的潛能-多能。具有分化潛能的細胞 稱為干細胞（二）干細胞（二）干細胞（三）胚胎干細胞體外培養的人胚胎干細胞體外培養的人胚胎干細胞紅色：紅色：滋養層細胞滋養層細胞（經處理后，不能（經處理后，不能繼續分裂的小鼠成繼續分裂的小鼠成纖維細胞）纖維細胞）干細胞是機體中能進行干細胞是機體中能進行自我更新自我更新（產生與自身（產生與自身

10、相同的子細胞）和相同的子細胞）和多向多向分化潛能分化潛能（分化形成不（分化形成不同細胞類型）并具有形同細胞類型）并具有形成成克隆能力克隆能力的一類細胞。的一類細胞。干細胞干細胞：全能干細胞；：全能干細胞；多能干細胞；單能干細多能干細胞；單能干細胞。又可分為：胚胎干胞。又可分為：胚胎干細胞、成體（組織）干細胞、成體（組織）干細胞（造血、骨髓間充細胞（造血、骨髓間充質、神經、肌肉等干細質、神經、肌肉等干細胞）。胞）。終末分化終末分化：干細胞最終：干細胞最終形成特化細胞類型的過形成特化細胞類型的過程程。細胞克隆與再生醫學細胞克隆與再生醫學人的胚胎干細胞定向誘導分化人的胚胎干細胞定向誘導分化移植到糖尿

11、病模型小鼠體內移植到糖尿病模型小鼠體內體外誘導產生的經3種特異標志蛋白染色的胰島細胞三、影響細胞分化的因素三、影響細胞分化的因素受精卵受精卵細胞質細胞質的的不均一性不均一性對細胞分化的影響對細胞分化的影響（p324p324）胞外胞外信號分子信號分子對細胞分化的影響對細胞分化的影響 細胞間的相互作用與細胞間的相互作用與位置效應位置效應細胞記憶與決定細胞記憶與決定（果蠅成蟲盤，（果蠅成蟲盤，imaginal discimaginal disc；p326p326) )環境對性別決定的影響（環境對性別決定的影響（p326p326）染色質變化與基因重排對細胞分化的影響染色質變化與基因重排對細胞分化的影響

12、（p327）胞外信號分子對細胞分化的影響胞外信號分子對細胞分化的影響圖圖15-8 15-8 與人胚胎干細胞的維持相關的主要信號分子及信號通路示意圖與人胚胎干細胞的維持相關的主要信號分子及信號通路示意圖 骨形成蛋白骨形成蛋白成纖維細胞生長因子成纖維細胞生長因子 非分化因子非分化因子轉化生長因子轉化生長因子分化因子分化因子細胞分化與細胞分化與3 3個胚層個胚層發生的分子機理發生的分子機理胚胎干細胞胚胎干細胞活化、抑制素活化、抑制素結締組織活化素結締組織活化素 成纖維細胞生長因子成纖維細胞生長因子 骨形成蛋白骨形成蛋白非分化因子非分化因子細胞間的相互作用與位置效細胞間的相互作用與位置效應應位置效應：

13、改變細胞所處位置可誘導細胞分化方向的改變。一、生殖細胞的分化一、生殖細胞的分化第二節第二節 胚胎發育中的細胞分化胚胎發育中的細胞分化發育發育：后生生物經歷一個由單細胞到多細胞的過程，最終形成成熟的個體。發育過程：單細胞的受精卵（合子）多細胞的胚胎成體；細胞分裂、遷移和分化、凋亡等過程。細胞分化是整個發育過程的基礎與核心。圖圖15-10 原生殖細胞（原生殖細胞（PGC）的遷移）的遷移性別決定性別決定SRY（決定睪丸發育的（決定睪丸發育的轉錄因子轉錄因子）雄性雄性X X染色體的染色體的TfmTfm表達表達-受體受體男性男性雄性雄性X染色體的染色體的tfm突變表達突變表達-無受體無受體女性女性染色體

14、染色體上的性上的性別決定別決定區域區域雄配子決定因子雄配子決定因子雄配子雄配子睪丸素，雄激素睪丸素，雄激素雄激素雄激素分化的分化的信號受信號受體復合體復合物物雄性第雄性第二性征二性征X X染色體染色體上能夠使上能夠使正常雄性正常雄性基因基因表達表達的的TfmTfm基基因因X X染色體染色體上不能夠上不能夠使正常雄使正常雄性基因性基因表表達的達的tfmtfm基因基因產生雄性產生雄性激素信號激素信號受體受體雌性第雌性第二性征二性征性腺細胞分化中的信號途徑性腺細胞分化中的信號途徑生生殖殖細細胞胞的的形形成成與與成成熟熟原原生殖細胞生殖細胞的產生的產生原胚細胞，胚囊細胞原胚細胞，胚囊細胞原生殖細胞向生

15、殖細胞的分化原生殖細胞向生殖細胞的分化受孕天數（二）早期胚胎發育過程中的細胞分化（二）早期胚胎發育過程中的細胞分化 受精 卵裂 囊胚 原腸胚：三胚層人上、下胚層發育命運關系圖人上、下胚層發育命運關系圖神神經經管管的的形形成成神經胚神經胚調控脊髓神經細胞增殖的信號系統調控脊髓神經細胞增殖的信號系統成纖維細胞生長因子成纖維細胞生長因子體節表達因子體節表達因子調控神經前體細胞的分裂與分化調控神經前體細胞的分裂與分化神經元前體細胞通過側向抑制而特化神經元前體細胞通過側向抑制而特化脊髓背腹分化中的信號網絡脊髓背腹分化中的信號網絡（三）果蠅胚胎早期發育中的細胞分化（三）果蠅胚胎早期發育中的細胞分化作業：作

16、業：一、基本概念一、基本概念 細胞分化細胞分化 去分化去分化 胚胎誘導胚胎誘導 組織特異性基因組織特異性基因 管家基因管家基因 干細胞干細胞 全能性全能性 多能細胞多能細胞 單能細胞單能細胞二、簡答題與論述題二、簡答題與論述題1 1、為什么說細胞分化是基因選擇性表達的結果、為什么說細胞分化是基因選擇性表達的結果? ?2 2、組織特異性基因的表達是以何種方式調控的、組織特異性基因的表達是以何種方式調控的? ?3 3、影響細胞分化的因素有哪些？請予說明。、影響細胞分化的因素有哪些？請予說明。4 4、什么是干細胞？它有哪幾種基本類型和各自的基本特征？、什么是干細胞？它有哪幾種基本類型和各自的基本特征？5 5、什么是誘導多能干細胞？試論述其在理論與醫學實踐中的重要、什么是誘導多能干細胞？試論述其在理論與醫學實踐中的重要意義？意義？6 6、從、從PGCPGC到精子的分化過程中，有哪些重要信號途徑是必不可少到精子的分化過程中，有哪些重要信號途徑是必不可少的？它們如何作用以保證精子的形成？的？它們如何作用以保證精子的形成？7 7、從、從PGCPGC到